Biochemical, structural and functional characterization of diheme-containing quinol:fumarate reductases : the role of heme propionates and the enzymes from pathogenic e-proteobacteria

  • The quinol:fumarate reductase (QFR) is the terminal reductase of anaerobic fumarate respiration, the most commonly occurring type of anaerobic respiration. This membrane protein complex couples the oxidation of menaquinol to menaquinone to the reduction of fumarate to succinate. The three-dimensional crystal structure of the QFR from Wolinella succinogenes has previoulsy been solved at 2.2 Å resolution. Although the diheme-containing QFR from W. succinogenes is known to catalyze an electroneutral process, structural and functional characterization of parental and variant enzymes has revealed active site locations which indicate electrogenic catalysis across the membrane. A solution to this apparent controversy was proposed with the so-called “Epathway hypothesis”. According to this, transmembrane electron transfer via the heme groups is strictly coupled to a parallel, compensatory transfer of protons via a transiently established pathway, which is inactive in the oxidized state of the enzyme. Proposed constituents of the E-pathway are the side chain of Glu C180, and the ring C propionate of the distal heme. Previous experimental evidence strongly supports such a role for the former constituent. One aim of this thesis is to investigate by a combination of specific 13C-heme propionate labeling and FTIR difference spectroscopy whether the ring C propionate of the distal heme is involved in redox-coupled proton transfer in the QFR from W. succinogenes. In addition to W. succinogenes, the primary structures of the QFR enzymes of two other e- proteobacteria are known. These are Campylobacter jejuni and Helicobacter pylori, which unlike W. succinogenes are human pathogens. The QFR from H. pylori has previously been established to be a potential drug target, and the same is likely for the QFR from C. jejuni. The two pathogenic species colonize mucosal surfaces causing several diseases. The possibility of studying these QFRs from these bacteria and creating more efficient drugs specifically active for this enzyme depends substantially on the availability of large amounts of high-quality protein. Further, biochemical and structural studies on QFR enzymes from e- proteobacteria species other than W. succinogenes can be valuable to enlighten new aspects or corroborate the current understanding of this class of membrane proteins.
  • Die Chinol:Fumarat Reduktase (QFR) ist die terminale Reduktase der anaeroben Fumarat- Atmung, welche die häufigste Art der anaeroben Atmung darstellt. Dieser Membranproteinkomplex koppelt die Oxidation von Menachinon zu Menachinol an die Reduktion von Fumarat zu Succinat. Die dreidimensionale Kristallstruktur der QFR von Wolinella succinogenes wurde zuvor mit einer Auflösung von 2,2 Å gelöst. Obwohl die dihäm-haltige QFR von W. succinogenes erwiesenermaßen einen elektroneutralen Prozeß katalysiert, hat die strukturelle und funktionelle Charakterisierung des Wild-Typ- Enzyms und verschiedener Enzymvarianten ergeben, dass die Lage der aktiven Zentren auf einen über die Membran elektrogenen katalytischen Prozeß hindeutet. Der scheinbare Widerspruch konnte durch die sogenannte „E-Weg“ Hypothese überwunden werden. Sie besagt, dass der transmembrane Elektronentransfer über die Hämgruppen strikt an einen parallelen, die Ladung kompensierenden Protonentransfer gekoppelt ist, Dieser erfolgt über einen im reduzierten Zustand vorübergehend aktiven Transportweg, der im oxidierten Zustand des Enzyms blockiert ist. Als wesentliche Bestandteile dieses „E-Weges“ werden die Seitenkette von Glu C180 und das Ring-C Propionat der distalen Hämgruppe angenommen. Frühere experimentelle Ergebnisse weisen deutlich auf eine Beteiligung von Glu C180 hin. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe einer Kombination aus 13C-Isotopenmarkierung der Hämpropionate der QFR und anschließender FTIR-Differenzspektroskopie experimentell nachzuweisen, dass dem Ring-C Propionat der distalen Hämgruppe eine entsprechende Rolle im redox-gekoppelten Protonentransfer in der QFR von W. succinogenes zukommt. Zusätzlich zu W. succinogenes sind auch die Primärstrukturen zweier weiterer e- Proteobakterien, nämlich Campylobacter jejuni und Helicobacter pylori, bekannt. Beide Spezies sind im Gegensatz zu W. succinogenes humanpathogen und in der Lage, Schleimhäute zu kolonisieren und verschiedene Krankheiten auszulösen. Die QFR von H. pylori wurde schon früher als potentieller Angriffspunkt für eine medikamentöse Behandlung identifiziert. Gleiches ist auch für die QFR von C. jejuni wahrscheinlich. Die Möglichkeit, die beiden Chinol:Fumarat Reduktasen der genannten Bakterien zu studieren und somit möglicherweise effizientere Medikamente gegen sie zu entwickeln, hängt empfindlich davon ab, über größere Mengen qualitativ hochwertiger Proteinsubstanz zu verfügen. Weiterhin können die biochemische und strukturelle Untersuchung der QFR Enzyme anderer e- Proteobakterien als W. succinogenes hilfreich sein, neue Aspekte dieser Klasse von Membranproteinen zu beleuchten und deren allgemeines Verständnis zu vertiefen.

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Metadaten
Author:Mauro Mileni
URN:urn:nbn:de:hebis:30-20598
Referee:Bernd Ludwig
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2005/11/08
Year of first Publication:2005
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2005/08/01
Release Date:2005/11/08
HeBIS-PPN:134199065
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht