Untersuchungen zur Kristallisation und Struktur der Dinitrogenase-Komponente des Mo-freien Eisen-Nitrogenase-Systems von Rhodobacter capsulatus

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Die "klassische" Molybdän-Nitrogenase kommt in allen Stickstoff-fixierenden Bakterien vor. Bereits aus mehreren Bakterienstämmen wurden die Proteinkomponenten dieses Enzymsystems isoliert, kristallisiert und deren Struktur mit Hilfe röntgenstrukturanalytischer Untersuchungen aufgeklärt. Für den Katalyseprozeß ist insbesondere die Dinitrogenase-Proteinkomponente (MoFe-Protein) von herausragender Bedeutung. Sie setzt sich zusammen aus je zwei Alpha- und Beta-Untereinheiten (heterotetramere Struktur) und enthält die beiden am Elektronentransfer und der Substratreduktion beteiligten Metallcluster, den "P-Cluster" (8Fe7S) und den "FeMo-Cofaktor" (7FeMo9S/Homocitrat). In dem phototrophen Bakterium Rhodobacter capsulatus existiert neben der Mo-Nitrogenase auch eine Mo-unabhängige Eisen-Nitrogenase. Dieses Enzymsystem ist Sauerstoff-empfindlicher, reduziert molekularen Stickstoff mit deutlich geringerer Rate, zeichnet sich aber durch eine ungewöhnlich hohe Wasserstoffgas-Produktionsrate aus. Die Dinitrogenase-Komponente der Eisen-Nitrogenase (FeFe-Protein) ist ein Hexamer mit zwei zusätzlichen kleinen Delta-Untereinheiten (13.5 kDa) noch unbekannter Funktion. Im Mittelpunkt des beantragten Projekts steht die Präparation stabiler, homogener FeFe-Proteinproben und die Züchtung röntgentauglicher Kristalle mit anschließenden strukturanalytischen Untersuchungen. Ziele sind, die Struktur-Funktion-Zusammenhänge in diesem Enzym aufzuklären und die Unterschiede zum Mo-haltigen Nitrogenase-System herauszuarbeiten, speziell im Hinblick auf die Cofaktorstruktur, die Wechselbeziehungen zwischen Cofaktor(elektronen)struktur und katalytischer Aktivität, die Proteinumgebung des Cofaktors und die Lokalisation der Delta-Untereinheit. In begleitenden Arbeiten soll dieses Delta-Peptid bzw. das entsprechende Dimer isoliert, biochemisch charakterisiert und insbesondere seine potentielle Rolle beim Einbau des Mo-freien Cofaktors untersucht werden.