Open Access

Simone Biel

• Wolinella succinogenes reduziert Fumarat mit H2 oder Formiat als Elektronendonor. Der Elektronentransport wird von der membranständigen Hydrogenase oder Formiat-Dehydrogenase und der Fumarat-Reduktase katalysiert. Redoxmediator zwischen beiden Enzymen ist Menachinon. Der Elektronentransport ist mit der Erzeugung eines elektro-chemischen Protonenpotentials (Dp) gekoppelt. Ziel dieser Arbeit war, den Mechanismus der Dp-Entstehung durch Rekonstitution der gekoppelten Fumarat-Atmung in Liposomen aufzuklären. Aus Wolinella succinogenes isolierte Hydrogenase und Fumarat-Reduktase wurden in Liposomen eingebaut, die Menachinon enthielten. Die resultierenden Proteoliposomen kataly-sierten die Reduktion von Fumarat mit H2. Die Wechselzahl der Enzyme im Elektronentrans-port von H2 zu Fumarat war etwa 10 % von der in Bakterien. In den Proteoliposomen waren sowohl Hydrogenase als auch Fumarat-Reduktase ausschließlich nach außen orientiert. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die Proteoliposomen sphärische Vesikel mit einem mittleren Außendurchmesser von 88 nm waren. Die Proteoliposomen enthielten statistisch 8,4 Hydrogenasemoleküle und 72 Fumarat-Reduktasemoleküle. Alle aktiven Enzymmoleküle waren in der Proteoliposomenmembran zufällig verteilt eingebaut und nahmen am Elektronentransport von H2 zu Fumarat teil. Der aus dem Protonenpermeabilitätskoeffizienten (PH = 8,1·10-3 cm·s-1) berechnete unspezifische Protonenfluß über die Proteoliposomenmembran war etwa 20mal langsamer als der durch den Elektronentransport von H2 zu Fumarat katalysierte Protonenfluß. Während der Fumarat-Reduktion mit H2 entstand ein elektrisches Protonenpotential über der Proteoliposomenmembran (Dø = -0,19 V; innen negativ), das die gleiche Richtung und Größe hatte wie das Dø während der Fumarat-Atmung in Zellen von W. succinogenes. Der H /e--Quotient für die Fumarat-Reduktion mit H2 war in Proteoliposomen in Gegenwart von Valinomycin und externem K etwa 1. Das gleiche Dø und der gleiche H /e--Quotient waren mit der Reduktion von 2,3-Dimethyl-1,4-naphthochinon (DMN) durch H2 verbunden, wenn die Proteoliposomen Menachinon und Hydrogenase mit oder ohne Fumarat-Reduktase enthielten. Proteoliposomen, die Menachinon und Fumarat-Reduktase mit oder ohne Hydrogenase enthielten, katalysierten die Reduktion von Fumarat durch DMNH2, die aber nicht mit der Entstehung von Dp gekoppelt war. Proteoliposomen, die Formiat-Dehydrogenase, Menachinon und Fumarat-Reduktase enthielten, katalysierten die Reduktion von Fumarat oder DMN durch Formiat. Beide Reaktionen erzeugten über der Proteoliposomenmembran ein Dø von -0,13 V (innen negativ). Der H /e--Quotient der Formiat-Oxidation durch Menachinon oder DMN war nahezu 1. Die Entstehung von Dø war von der Art des in die Proteoliposomen eingebauten Chinons abhängig. Während der Reduktion von DMN durch H2 entstand ein Dø, wenn die Proteoliposomenmembran Menachinon, Vitamin K2 oder das aus W. succinogenes isolierte Methylmenachinon enthielt. Proteoliposomen ohne Chinon oder mit Vitamin K1 erzeugten kein Dø während der DMN-Reduktion mit H2. Die Fumarat-Atmung mit H2 war nur in Gegenwart von Menachinon oder Vitamin K2 mit der Entstehung von Dø gekoppelt. In dieser Arbeit wurde erstmals die gekoppelte Fumarat-Atmung mit aus W. succinongenes isolierten Elektronentransportenzymen in Lipsomen rekonstituiert. Die Ergebnisse bestätigen die Hypothese, dass das durch die Fumarat-Atmung erzeugt Dp ausschließlich durch die Menachinon-Reduktion mit H2 oder Formiat entsteht, während die Menachinol-Oxidation mit Fumarat ein elektroneutraler Prozeß ist.