From static difference to time-resolved spectroscopy of coupled electron and proton transfer in the quinol: fumarate reductase of Wolinella succinogenes

  • The enzyme quinol:fumarate reductase (QFR) from the anaerobic epsilon-proteobacterium Wolinella succinogenes is a membrane protein complex that couples the catalysis of the oxidation of menaquinol to menaquinone to that of the reduction of fumarate to succinate. This is the terminal step in fumarate respiration, a form of anaerobic respiration in which oxygen is replaced by fumarate as the terminal electron acceptor in many anaerobic microorganisms. In QFR, both the heme groups (low-potential distal and high-potential proximal heme b group in transmembrane subunit C) are part of the electron transport chain between the two catalytic sites of the redox enzyme. Although the reduction of fumarate by menaquinol is exergonic, it is not exergonic enough to support the generation of a transmembrane electrochemical proton potential delta p. Evidence has previously shown that this reaction is catalysed by a novel mechanism, involving the facilitation of transmembrane electron transfer by transmembrane proton transfer via an essential compensatory transmembrane proton transfer pathway ("E-pathway") which is inactive in the oxidized state of the enzyme. The two key constitutents of the the pathway are the amino acid residue Glu C180 of the transmembrane helix V (located in subunit C) and the ring C propionate of the distal heme bD. The aim of the project was to obtain, by employing a combination of time-resolved as well as static spectroscopic approaches, a detailed insight of the transmembrane electron coupled proton transfer mechanism. Minute changes in both the oxidized and reduced states of a redox protein system can be selectively and sensitively monitored by static Fourier Transformed Infrared (FTIR) difference spectroscopy. The technique employed in this context, electrochemically induced FTIR difference spectroscopy, is complemented by computer-based electrostatic calculations. In order to elucidate the catalytic mechanism of the important reactions in QFR, it is necessary to investigate these in a time-resolved manner. Rapid scan FTIR difference spectroscopy is a suitable technique that allows the course of the reaction to be monitored in a time dependent fashion. The techniques employed in this context are time-resolved (tr-FTIR) and transient absorption spectroscopy. In the following, the details of individual sub-projects are discussed in brief. ...
  • Das Enzym Chinol:Fumarat-Reduktase (engl. quinol:fumarate reductase; QFR) des anaeroben Epsilon-Proteobakteriums Wolinella succinogenes katalysiert den terminalen Schritt der Fumaratatmung. Bei dieser Form der anaeroben Atmung wird Sauerstoff durch Fumarat als terminaler Elektronenakzeptor ersetzt. Die QFR ist ein dihämhaltiger Membranproteinkomplex, der die Oxidation von Menachinol zu Menachinon an die Reduktion von Fumarat zu Succinat koppelt. Beide b-Typ Hämgruppen (das Niedrigpotentialhäm wird auch als distales und das Hochpotentialhäm als proximales Häm b in der Transmembranuntereinheit C bezeichnet) sind Teil der Elektronentransportkette zwischen den zwei katalytischen Seiten des Redox-Enzyms. Obwohl die Reduktion von Fumarat durch Menachinol exergonisch ist, reicht die Energie nicht für die Erzeugung eines membrandurchspannenden elecktrochemischen Protonenpotentials Delta p aus. Es wurde bewiesen, dass diese Reaktion durch einen neuartigen Mechanismus katalysiert wird, bei dem der Transmembranelektronentransfer durch einen Transmembranprotonentransfer ermöglicht wird. Dieser neuartige, essentielle und kompensatorische Transmembranprotonentransfer (E-Weg) ist im oxidierten Zustand der QFR inaktiviert, wobei der Aminosäurerest Glu C180 der Transmembranhelix V (lokalisiert in der C-Untereinheit) und das C-Ring-Propionat des distalen Häms Schlüsselfunktionen übernehmen. Ziel dieses Projekts war durch die Anwendung einer Kombination aus sowohl zeitaufgelösten, als auch statischen spektroskopischen Versuchen, eine detaillierte Einsicht in den Mechanismus des transmembranen, elektronengekoppelten Protonentransfers zu erhalten. Durch statische FTIR Differenzspektroskopie können Änderungen von oxidierten und reduzierten Zuständen eines Redox-Proteinsystems selektiv und sensitiv bestimmt werden. Als Techniken werden in diesem Kontext elektrochemisch induzierte FTIR Differenzspektroskopie und komplementäre computergestütze elektrostatische Berechnungen angewandt. Um den katalytischen Mechanismus der QFR zu eruieren, sind zeitaufgelöste Experimente nötig. "Rapid scan" FTIR Differenzspektroskopie erlaubt es, den Verlauf der Reaktion in einer zeitabhängigen Weise zu verfolgen. Dazu werden die zeitaufgelöste Fourier transformierte Infrarot- (tr-FTIR) und transiente Absorptionsspektroskopie verwandt. Im Folgenden werden die Details der individuellen Unterprojekte kurz erläutert. ...

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Metadaten
Author:Rajsekhar Paul
URN:urn:nbn:de:hebis:30-112651
Referee:Josef WachtveitlORCiDGND, C. Roy D. Lancaster
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/08/23
Year of first Publication:2011
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2011/08/16
Release Date:2011/08/23
Page Number:XXIV, 126 S.
HeBIS-PPN:273386379
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht