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

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Publication Date
Keywords
  • Ddc:540

Abstract

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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