Die Porphobilinogensynthase aus Pseudomonas aeruginosa : Katalytischer Mechanismus und Evolution der Metallabhängigkeit

Porphobilinogensynthasen katalysieren die asymmetrische Kondensation von zwei Molekülen ALA zum Monopyrrol PBG und sind integraler Bestandteil im Biosyntheseweg von Tetrapyrrolen. Durch die Kristallisation des Enzyms im Komplex mit dem Inhibitor 5-Flourlävulinsäure konnten die Struktur des mit Substrat beladenen Enzyms zum Zeitpunkt des Starts der Katalyse, sowie die ersten Schritte im Reaktionsverlauf modelliert werden. Ein Reaktionsmechanismus konnte formuliert werden, der die Aktivierung des Substrats in der A-Stelle in Form eines Enamins, die Bildung der C-C-Bindung als erstem Reaktionsschritt und die Beteiligung eines monovalenten Kations beinhaltet. Im zweiten Teil der Arbeit wurde versucht, den potentiellen evolutorischen Übergang zwischen rein Mg2+-abhängigen und gemischt Mg2+- und Zn2+-abhängigen PBGSen in vitro nachzuverfolgen und die Funktion der Metallbindestelle ZnB zu klären. Dazu wurde diese Bindestelle in das aktive Zentrum von PaPBGS durch schrittweisen Austausch der Reste A129, D131 und D139 gegen Cysteine integriert. Der Vergleich der dabei erzeugten sieben Mutanten anhand ihrer kinetischen Parameter sowie ihrer Strukturen identifizierte zwei Mutanten, die eine deutliche Zn2+-abhängige Aktivität, eine Zinkbindestellen mit unverzerrter Koordinationsgeometrie, sowie eine hohe Besetzung mit Zn2+ aufwiesen. Diese Mutanten sind die einzigen, für die äquivalente PBGSen in der Natur vorkommen. Zwei weitere Mutationen, die das aktive Zentrum der Dreifachmutanten weiter an das von EcPBGS annäherten (P132E und K229R), führten zu einer Steigerung der Aktivität der so modifizierten Enzyme. Die erfolgreiche Integration der Zinkbindestelle in PaPBGS bei gleichzeitigem Erhalt der Enzymaktivität lässt darauf schließen, dass das Zinkion an keinem der integralen Schritte der Katalyse beteiligt ist, sondern an der Bindung und Orientierung von Substrat-, Intermediat- und Produktmolekülen. Eine Evolution von Zn2+-freier PBGS aus Zn2+-abhängiger PBGS wurde abgeleitet.