Charakterisierung von Cytochrom-Modellkomplexen und dem ...

8 Das Radikal-SAM-Enzym HemN aus E.coli
8.1 Grundlagen
Während der Biosynthese von Hämen und Chlorophyll findet eine Umwandlung
von Coproporphyrinogen III in Protoporphyrinogen IX statt. Dabei werden
die Propionat-Seitenketten 31 A und B der Tetrapyrrole durch eine oxidative
Decarboxylierung 32 in die entsprechenden Vinyl-Gruppen (Abb. 72 a)
umgewandelt [164, 165]. Die voneinander unabhängigen Enzyme, die sauerstoffabhängige
Coproporphyrinogen III Oxidase (Hem F) und die sauerstoffunabhängige
Coproporphyrinogen III Oxidase (HemN) katalysieren diese Reaktion
[164, 166, 167, 168]. HemN ist ein monomeres Eisen-Schwefel-Protein und gehört
zur Familie der Radikal-SAM 33 -Enzyme [17]. Alle Enzyme dieser großen
Familie enthalten einen [4Fe-4S]-Cluster, der durch drei Cysteinreste in einer
charakteristischen Art und Weise, in einer CXXXCXXC-Sequenz, koordiniert
(Abb. 71 und Abb. 72) ist. Alle Radikal-SAM-Proteine benötigen des weiteren
S-Adenosylmethionin (SAM) als Kofaktor, um den auf einem Radikal basierten
Katalyseprozess zu starten [14, 17]. Radikal-SAM-Enzyme spielen bei vielen weiteren
fundamentalen Biosyntheseprozessen, wie den von Vitaminen, Kofaktoren,
DNA und Antibiotika eine Rolle. Die Eisen-Schwefel-Cluster zahlreicher Vertreter
der Radikal-SAM-Familie wurden mit verschiedenen spektroskopischen Methoden
wie EPR-, Resonanz-Raman- und Mößbauer-Spektroskopie untersucht
[12, 16, 18, 20, 21, 169, 170, 171, 172]. Mit Hilfe von Mößbauer-Spektroskopie
wurde für das Pyruvat-Format-Lyase aktivierende Enzym (PFL-AE) und die
Biotinsynthase (BioB) gezeigt, dass ein Eisenplatz des [4Fe-4S]-Clusters nicht
ausschließlich Cysteinreste als Liganden aufweist und SAM an diesen Eisenplatz
bindet [18, 19]. ENDOR 34 -Spektroskopie wurde später benutzt, um das Binden
vom SAM für PFL-AE und Lysine 2,3-Aminomutase (LAM) [22, 173, 174] genauer
zu studieren. Es wird davon ausgegangen, dass die anfänglichen Reaktionsschritte
für alle Radikal-SAM-Proteine gleich sind (Abb.72b) [175, 176, 177].
Zu Beginn des Katalyseprozesses wird der Eisen-Schwefel-Cluster reduziert, wobei
sich bei einigen Proteinen herausstellte, dass die Reduktion durch reduziertes
Flavodoxin in E. coli erfolgt [178, 179]. Anschließend transferiert der reduzierte
Eisen-Schwefel-Cluster ein Elektron zum SAM, was darauf in Methionin und
ein sehr reaktives 5’-Deoxyadenosylradikal aufspaltet [180, 181, 182, 183]. Das
5’-Deoxyadenosylradikal zieht darauf ein Wasserstoffatom von einem nahe gelegenen
Kohlenstoffatom ab, um entweder ein Substratradikal [184, 185, 186] oder
ein katalytisches Glycylradikal an einem Nachbarprotein zu bilden [187]. In einigen
Reaktionen, an denen Radikal-SAM-Enzyme beteiligt sind, wird dieses
vollständig umgesetzt oder agiert als Kosubstrat mit der Freisetzung von Methionin
und einem 5’-Deoxyadenosylradikal. In anderen Fällen wird das SAM
wiederhergestellt und agiert als reiner Kofaktor [175, 184]. Der vorgeschlagene
Reaktionsmechanismus ist in Abb. 72c gezeigt. In der Kristallstruktur (Abb.
31 Propionsäure (englisch: propionic acid) ist der Trivialname für Propansäure,
CH 3 CH 2 COOH, einer Carbonsäure mit stechendem Geruch. Ihre Salze und Ester heißen
Propionate.
32 Als Decarboxylierung wird die Abspaltung von CO 2 aus einem Carbonsäurederivat bezeichnet,
wobei Carbonsäure eine organische Verbindungen mit einer oder mehreren
Carboxylgruppen (-COOH) ist.
33 SAM: S-Adenosyl-Methionin
34 ENDOR: Electron Nuclear Double Resonance
119