Enzym hilft Bakterien, in Menschen zu atmen

Forscher haben die Struktur der Cytochrom-bd-I-Oxidase (E. coli) entschlüsselt

29. November 2019

Mikroorganismen haben ein vielseitiges Repertoire an Proteinen und Enzymen entwickelt, um unter feindlichen Umweltbedingungen zu überleben. Cytochrom bd Oxidasen sind membranintegrierte terminale Sauerstoffreduktasen in verzweigten Atmungsketten fast aller Bakterien. Ihre Aktivität ist für das Überleben von kommensalen und pathogenen Bakterien bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen unerlässlich. Einem internationalen Forscherteam um Hartmut Michel und Werner Kühlbrandt am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt ist es nun gelungen, die Kryo-EM-Struktur des Prototyps der Cytochrom-bd-Oxidase aus Escherichia coli (E. coli) zu bestimmen.

Kryo-EM-Struktur der bd-I-Oxidase aus E. coli. (A) Oberflächendarstellung der bd-I Oxidase Kryo-EM Dichtekarte bei einer Auflösung von 2,68 Å.
(B) Die Untereinheit CydH bindet an einen hydrophoben Spalt in CydA und blockiert den Sauerstoffzugang zu Häm b595 aus der hydrophoben Lipiddoppelschicht. (C) E. coli bd-I enthält 20 membranübergreifende Helices. (D) Die Q-Schleife ist unterteilt in flexible QN und starre, gut geordnete QC-Segmente. (E) Der Substratinhibitor AD3-11 reduziert den Deuteriumaustausch.
Rate nur im flexiblen QN-Bereich. Relative Unterschiede der Deuteriumaufnahme werden auf die Struktur und die CydA-Aminosäuresequenz abgebildet. Abkürzungen: A, Ala; C, C, Cys; D, Asp; E, Glu; F, Phe; G, Gly; H, His; I, Ile; K, Lys; L, Leu; M, Met; N, Asn; P, Pro; Q, Gln; R, Arg; S, Ser; T, Thr; V, Val; W, Trp; Y, Tyr.

Im Gegensatz zu den mitochondrialen Cytochrom-c-Oxidasen sind die chinoloxidierenden bd-Oxidasen unempfindlich gegen eine Vielzahl von toxischen Ligandenverbindungen wie Stickstoffmonoxid (NO), das von Makrophagen freigesetzt wird, oder H2S, das im menschlichen Darm angereichert ist. Aufgrund ihrer zentralen Rolle für das Überleben von Mikroorganismen im Menschen ist die Cytochrom-bd-Oxidase ein Zielort für die Entwicklung von antimikrobiellen Medikamenten der nächsten Generation zur Behandlung von Infektionskrankheiten wie Tuberkulose.

Die Studie zeigt strukturelle Unterschiede zwischen dem zuvor berichteten Homolog von Geobacillus thermodenitfiricans (G. th) und der E. coli bd-I-Oxidase. Die Neuanordnung der aktiven Häm-Gruppen und die daraus resultierenden Konformationsanpassungen schlagen eine alternative Sauerstoffbindungsstelle zwischen dem umsatzarmen Enzym von G.th und der umsatzstarken bd-I-Oxidase von E. coli vor. Weiterhin identifizierten Safarian et al. ein strukturelles Chinonmolekül in der katalytisch inaktiven CydB-Untereinheit und eine proteobakteriumspezifische, zusätzliche einzelne Transmembran-Helix-Untereinheit, die an die katalytische CydA-Untereinheit gebunden ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Aufbau der funktionellen bd-Oxidase einen höheren Grad an Regulation erfordert als bisher angenommen und sich zwischen den Oxidasen verschiedener Phylae unterscheiden kann.

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