Enzymatische Metallzentren – was zähmt das brennende Herz?#

von

Grit Straganz

Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik

Grit Straganz

Grit Straganz ist Universitätsassistentin am Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik. Straganz´ postgraduale Forschung konzentriert sich auf die Mechanismen Sauerstoffabhängiger Reaktionen an enzymatischen Metallzentren. Seit 2006 werden diese Studien im Rahmen eines FWF-Projektes finanziert.

© Forschungsjournal 2008/12

Meine Forschung befasst sich mit den molekularen Vorgängen Sauerstoff-abhängiger biologischer Katalyse, mit Schwerpunkt auf der Funktion von Metall-Enzymen. Ein tiefes Verständnis der Mechanismen dieser vielseitigen Proteine bildet die Grundlage für die Entdeckung und Entwicklung neuartiger Enzymreaktionen, mit dem Ziel, Feinchemikalien und Pharmazeutika mit Hilfe von hochselektiven Sauerstoff-abhängigen Reaktionen zu synthetisieren.

Etwas zu verbrennen erscheint uns als recht einfache Aufgabe. Man entfacht etwa ein Streichholz und zündet damit eine Zigarette an. Allerdings wirkt das Verbrennen hier destruktiv, nicht schöpferisch. Die Flamme wird den umgebenen Sauerstoff verzehren (reduzieren) und das ‚wertvolle‘ organische Material zu Kohlendioxid und Russ verwandeln (oxidieren). Und wie sieht es aus, wenn Chemiker Sauerstoff verwenden, um organische Moleküle zu oxidieren? Nicht viel besser. Die Sauerstoff-abhängigen Reaktionen sind schwer zu kontrollieren und führen gewöhnlich zu Produktgemischen.

Abb. 1a: Mononukleare Nichthaem-Fe(II)-Zentren
© Forschungsjournal 2008/12 / Grit Straganz

Lebensvorgänge hängen andererseits zum Großteil vom Sauerstoff-Metabolismus ab, und die Natur hat raffinierte Strategien zur kontrollierten Verbrennung entwickelt. Eine Möglichkeit ist die Nutzung vom Metallkofaktoren: Ein Metallion wird in eine Proteinstruktur eingebettet und an diesem wird Sauerstoff reduziert.

Abb. 1b: Mononukleare Nichthaem-Fe(II)-Zentren
© Forschungsjournal 2008/12 / Grit Straganz

Die Proteinstruktur, welche dieses brennende Herzumgibt, kontrolliert den Prozess und bringt die reduzierte Sauerstoff-Spezies an einen ganz bestimmten Ort des organischen Moleküls, wo diese dann angreift. Auf diese Art können Metall-Enzyme eine Vielfalt an komplexen, hochselektiven und kontrollierten Verbrennungsreaktionen durchführen, welche manchmal faszinierende neue Wege zur Synthese von Pharmaka öffnen. Mononukleare Nichthaem-Fe(II)-Zentren (MNHEs) bilden wohl die vielseitigste Reaktionsplattform für Sauerstoff-abhängige Reaktionen. In MNHEs ist das Eisenion generell koordinativ durch eine Triade aus zwei Histidinen und einem Carboxylat-Rest (Abb. 1a) gebunden.

Während sich die MNHEs bezüglich ihres Metallzentrums und des Prinzips der Sauerstoff-Aktivierung gleichen, besteht eine Vielfalt von möglichen Reaktionswegen beim Zerfall des O2-Intermediates (Abb. 1b). Diese Wege werden vom feinen Zusammenspiel von Substrat, Proteinumgebung und resultierendem Oxidationszustand des Eisens bestimmt, was noch wenig erforscht ist.

Ein System, das ich untersuche, um dieses Zusammenspiel aufzuklären, ist das Enzym Dke1, eine neuartige MNHE-Dioxygenase, die in meiner Doktorarbeit gefunden, kloniert und biochemisch charakterisiert wurde. Detaillierte mechanistische Studien führten zum erstmaligen direkten Beweis, (i) dass die Sauerstoff-Reduktionsraten am Metallzentrum direkt und quantitativ von der Substratstruktur abhängen und (ii) ebenso das C-C Spaltungsmuster. Auf Basis dieser Studien wurde ein Mechanismus der Dicarbonylspaltung in Dke1 vorgeschlagen. Die Arbeit wurde mit dem "Anton Paar Wissenschaftspreis" ausgezeichnet.

Abb. 2: 3-Histidin-koordiniertes Metallzentrum der Dke1 (Protein Database Accession Code: 3BAL)
© Forschungsjournal 2008/12 / Grit Straganz

Das Metallzentrum von Dke1 wurde während meines einjährigen Forschungsaufenthaltes an der Stanford University (USA) auch spektroskopisch untersucht: Dke1 zeigt eine untypische Metallbindungsstelle, drei Hisidine binden das Eisen (Abb. 2). In Stanford untersuchten wir die Frage, welche Rolle das jeweilige Bindungsmotiv in der Katalyse und vor allem bezüglich des Mechanismus der Sauerstoff-Aktivierung spielt.

Weitere Studien befassen sich damit, den Einfluss der Proteinumgebung auf den Reaktionsweg MNHEs zu charakterisieren und die Proteinstruktur gezielt zu verändern, mit dem Ziel neue Enzymreaktionen zu designen.