Fachbeitrag

Stabilität der Quartärstruktur eines Proteins

Untersuchungen mit statischer und dynamischer Lichtstreuung
Bild 1: Darstellung der Molmassen, wie sie mit dem DAWN ermittelt wurden, aufgetragen gegen die Elutionszeit. Darüber gelegt wurde das UV-Elutionsprofil. Rot: NAGK vom Stamm R2; blau: NAGK aus WH5701 isoliert.



Zum Verständnis der Aktivität und Regulation von Enzymen kann die Kenntnis ihrer Quartärstruktur eine Menge beitragen. Vor allem bei Enzymkomplexen, die aus mehreren Untereinheiten bestehen, findet man in Bezug auf ihre Aktivität deutliche Verstärkungs- oder aber Abschwächungseffekte. Diese beruhen meist auf veränderter Substratbindung oder allosterischer Inhibition.

Roger Scherrers, Marc Schneider*)
N-Acetyl-L-Glutamat-Kinase (NAGK) ist ein Schlüsselenzym für die Biosynthese der Aminosäuren Ornithin und Arginin. Die Analyse der Kristallstruktur dieses Enzyms, das man auch aus Cyanobakterien und Pflanzen isolieren kann, brachte eine homo-hexamere Quartärstruktur ans Licht. Innerhalb dieses Komplexes schließen sich drei Homo-Dimere zu einem Toroid zusammen (ringförmige Struktur mit zentraler Öffnung, einem Schwimmreifen vergleichbar).

Die NAGK zeigt in ihrer Hexamerstruktur eine starke Rückkopplungs-Inhibition durch Arginin. Die Aktivierung des Enzymkomplexes hingegen erfolgt immer dann, wenn er mit der trimeren Struktur des Signalübertragungsproteins PII Komplexe bildet. Dabei bindet das PII von beiden Seiten an das NAGK-Toroid. In der nicht-denaturierenden Gelelektrophorese des Enzyms aus dem Cyanobakterienstamm Synechococcus WH5701 zeigen sich Hinweise darauf, dass die Hexamerstruktur möglicherweise nicht sehr stabil ist. Um dieser Vermutung auf den Grund zu gehen, wurde die oligomere Form der NAGK aus dem Stamm WH5701 mittels Größenausschlusschromatographie (SEC) untersucht. Zum Vergleich diente das bereits sehr gut charakterisierte Enzym aus dem Stamm Synechococcus PCC7942 (R2).

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Verwendetes Material
Säule GE Healthcare Superdex 200 300/10, 1,0 ml/min, kombiniert mit einem Agilent G1314 UV-Detektor, Wellenlänge: 280 nm; Wyatt Technology DAWN HELEOS 18 Winkel-Lichtstreudetektor und einem Wyatt Technology Optilab rEX Differential-Refraktometer.

Resultate und Interpretation
Die Hauptfraktion beider Proteine eluiert als monodisperse Spezies (siehe Bild 1). Dabei ergibt sich für R2 ein Wert von 199 kD gegenüber 190 kD beim Stamm WH5701. Dies entspricht einem Hexamer aus 34-kD-Untereinheiten. Bei der R2-NAGK ist außerdem noch ein kleiner Peak sichtbar, der sich mit etwa 61 kD der dimeren Form zurechnen lässt. Der Bereich zwischen Hexamer und Dimer zeigt einen fließenden Verlauf. Dies deutet auf eine variable Mischung der beiden Erscheinungsformen hin. Der Enzymkomplex aus WH5701 lässt zusätzlich noch eine monodisperse Spezies, ein Monomer bei 33 kD, erkennen.

Die Resultate legen den Schluss nahe, dass beim Stamm WH5701 ein größerer Anteil der NAGK in Untereinheiten zerfallen ist als dies beim Enzym aus R2 der Fall ist.

Der Vergleich der hydrodynamischen Radien macht deutlich, dass der Molekülradius des Protein-Toroids aus WH5701 größer ist als der aus dem Stamm R2 (siehe Bild 2). Dieser Befund deutet auf eine weniger dichte Packung des Toroids aus den Untereinheiten hin. Aufgrund dieser weniger starken Assoziation der Untereinheiten kommt es in einem größeren Umfang zum Zerfall des Komplexes, während NAGK aus R2 diese Tendenz nicht an den Tag legt (vgl. Bild 1).


Zusammenfassung
Die vorliegende Untersuchung zeigt erstmalig, dass die hexamere Struktur der NAGK-Enzyme aus Cyanobakterien in einem dynamischen Equilibrium aus Mono- oder Dimeren vorliegt, deren genaue Zusammensetzung je nach Stamm variiert. Ein weiterer Befund: Der Enzymkomplex aus dem Stamm WH5701 ist weniger stabil als derjenige aus R2.


Danksagung

Diese Applikationsnotiz wurde uns freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Prof. Dr. Karl Forchhammer, Lehrstuhl für Mikrobiologie/Organismische Interaktionen, Universität Tübingen, Auf der Morgenstelle 28, D-72076 Tübingen.

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