Koppelung von katalytischem Mechanismus und konformationeller Dynamik in (beta/alpha)8-Fass Enzymen

Die katalytische Leistungsfähigkeit von Enzymen ist an ihre konformationelle Dynamik gekoppelt. Die molekularen Grundlagen dieser Koppelung liegen jedoch weitgehend im Dunkeln. Sie sollen im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes aufgeklärt werden, indem der kinetische Mechanismus parallel zu entsprechenden Konformationsänderungen von Schleifen nahe dem aktiven Zentrum untersucht wird. Als Modellsysteme dienen dabei die (beta/alpha)8-Fass Proteine Indolglycerinphosphat Synthase (IGPS) und die Cyclase Untereinheit (HisF) der Imidazolglycerinphosphat Synthase (ImGPS) aus mesophilen und thermophilen Mikroorganismen. Um einen detaillierten Einblick in die enzymatischen Mechanismen zu erhalten, werden für die thermophilen und mesophilen Enzyme die Ratenkonstanten der individuellen katalytischen Schritte, Bindung und Freisetzung von Substrat und Produkt, chemische Transformationen, bei verschiedenen Temperaturen mittels pre-steady state Kinetik bestimmt. Die aus diesen Messungen erhaltenen Informationen werden dann mit der Dynamik von Schleifenbewegungen korreliert. Zu diesem Zweck wird die beta1alpha1-Schleife am aktiven Zentrum der mesophilen und thermophilen IGPS mit einem Spin-label markiert und Änderungen in der Schleifendynamik mittels EPR verfolgt. Für mesophiles und thermophiles HisF werden Bewegungen von beta/alpha-Schleifen nahe des aktiven Zentrums mittels NMR Relaxationsdispersionsmessungen analysiert. Die erwarteten Ergebnisse sollten neue Einsichten in molekulare Natur der Koppelung zwischen Proteindynamik und der Überwindung von Energiebarrieren bei der Enzymkatalyse liefern. Außerdem soll geklärt werden, ob und wie sich homologe mesophile und thermophile Enzyme in ihren katalytischen Strategien unterscheiden. Ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen Dynamik und katalytischer Effizienz ist auch für das Design von Enzymen von großer Bedeutung.