| Autor(en): |
Tzong-Yuan Lin |
Titel: |
Electron transfer between the reductase and ferredoxin component of toluene dioxygenase |
| Gutachter: |
Holger Dobbek; Wolfgang Lockau; Silke Leimkühler |
| Erscheinungsdatum: |
31.08.2012 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-100204124)
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| Fachgebiet(e): |
Biowissenschaften, Biologie |
| Schlagwörter (ger): |
Flavin, Toluol-Dioxygenase, Elektronentransferkomplex, Abbau von aromatischen Verbindungen |
| Schlagwörter (eng): |
Flavin, Toluene dioxygenase, electron-transfer complex, Degradation of aromatic compounds. |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Lizenz: |
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| Zitationshinweis: |
Lin, Tzong-Yuan:
Electron transfer between the reductase and ferredoxin component of toluene dioxygenase;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 31.08.2012, urn:nbn:de:kobv:11-100204124
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| Abstract (ger): |
| Die Toluol-Dioxygenase von Pseudomonas putida F1 ist eine Rieske-Dioxygenase und besteht aus Reduktase-, Ferredoxin- und Oxygenase-Komponente. Sie katalysiert den ersten Schritt im aeroben Abbau von Toluol. Ein effizienter Elektronentransfer zur terminalen Oxygenase-Komponente - an der die Sauerstoffaktivierung und Umwandlung von Toluol zum cis-Toluol-Dihydrodiol stattfindet - setzt eine reibungslose Interaktion aller Komponenten voraus.
Die Ergebnisse der Stopped-flow-Messungen in der reduktiven Halbreaktion zeigen, dass NADH die Reduktase mittels Hydridtransfer reduziert, wodurch ein stabiler Ladungstransfer-Komplex zwischen NAD+ und FADH- entsteht. In der oxidativen Halbreaktion wird dieser dann durch einen Elektronenakzeptor über das blaue Semichinon zum Chinon oxidiert. Dabei zeigt sich, dass der Ladungstransfer-Komplex die Reaktion der Reduktase mit Sauerstoff unterdrückt. Eine Erklärung hierfür liefert die Kristallstruktur des Ladungstransfer-Komplexes. Die Reaktion mit Sauerstoff wird dadurch unterdrückt, dass das NAD+ koplanar mit dem Isoalloxazinring ist und den reaktiven N5-C4a Teil des FADs schützt und zudem den Isoalloxazinring in eine planare, weniger sauerstoffempfindliche Konformation zwängt.
Durch die Bildung des Reduktase-Ferredoxin-Komplexes wird ein effizienter Elektronentransfer folgendermaßen ermöglicht: a) das Ferredoxin bindet an die Reduktase aufgrund elektrostatischer Anziehung entgegengesetzter Oberflächenladungen beider Proteine, b) die hydrophobe Region, die die beiden Redoxzentren umgibt, fungiert als Ein- und Ausgang für Elektronen und c) die geringe Entfernung von 11.7 Å zwischen beiden Kofaktoren erlaubt einen schnellen Elektronentransfer.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Elektronentransfer zwischen Reduktase und Ferredoxin durch die Bildung eines stabilen Ladungstransfer- und Reduktase- Ferredoxin-Komplexes beeinflusst wird und dadurch das Problem einer ungewollten Reaktion mit Sauerstoff umgangen wird.
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| Abstract (eng): |
| The toluene dioxygenase from Pseudomonas putida F1 is a three-component Rieske non-heme iron dioxygenase comprising of a reductase, ferredoxin and an oxygenase component. It catalyzes the initial step in the aerobic degradation of toluene to cis-toluene dihydrodiol. A smooth interaction between all three components needs to be ensured to efficiently transfer the electrons derived from NADH oxidation to the terminal oxygenase component where molecular oxygen is activated and used for the hydroxylation of toluene.
The results of the kinetic studies of the reductive half reaction of reductase reveal that NADH reduces the reductase, resulting in the formation of a stable charge transfer complex between NAD+ and FADH-. Oxidation of the charge transfer complex by an electron acceptor proceeds via the neutral semiquinone to the quinone state of FAD. It is shown that the charge transfer complex suppresses the reaction of the reductase with dioxygen. An explanation for this change in reactivity can be deduced from the structure of the charge transfer complex. Its slower reaction with dioxygen results from NAD+ lying coplanar with the FAD shielding its reactive N5-C4a locus and the forced planarity of the isoalloxazine ring.
The formation of the reductase-ferredoxin complex allows efficient electron transfer from reductase to ferredoxin because a) the oppositely charged interacting surfaces of both proteins facilitate the pre-orientation of the ferredoxin on the reductase, b) a hydrophobic region surrounding the two redox centers in the complex acts as an exit/entrance port for electrons and c) the short edge-to-edge distance between both cofactors of 11.7 Å guarantees a fast electron transfer.
The results demonstrate that the electron transfer between reductase and ferredoxin is governed by the formation of a stable charge transfer and of a reductase-ferredoxin complex with which the problem of an unwanted side reaction with dioxygen is obviated.
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