Structural insight into the biosynthesis of molybdenum cofactor and heme d1

Saha, Sayantan

doi:10.24355/dbbs.084-201406121023-0

Published

Structural insight into the biosynthesis of molybdenum cofactor and heme d1

English
German

Almost all life processes ranging from respiration to metabolism are coordinated by enzymatic reactions. A large repertoire of these enzymes requires additional components known as cofactors to achieve optimal activity. Organic cofactors like heme, siroheme, etc. directly participate in enzymatic reactions, thereby bringing about catalytic transformations. While the reaction mechanisms involving cofactors are being studied for decades, their biosynthesis, transport into target enzymes remain largely unknown. This study focuses on the synthesis of two such cofactors, the molybdenum cofactor (Moco) and heme d1. Moco and heme d1 are synthesized via evolutionarily conserved pathway involving various enzymatic reactions. This work deals with the structural investigation of two enzymes, Cnx1E and NirE, which are implicated in the synthesis of Moco and heme d1, respectively. Cnx1E is the N-terminal domain of the protein Cnx1 and catalyzes the final step of Moco biosynthesis, whereas NirE is involved in the initial transformation of uroporphyrinogen III (urogen III) to precorrin-2, which after several further modification leads to the formation of heme d1. As a part of this investigation, both the proteins were recombinantly expressed produced and crystallized to obtain diffracting crystals. The crystals were subjected to X-ray crystallographic analysis to solve the molecular structure of the proteins.

Fast alle Prozesse des Lebens wie Metabolismus und Zellatmung werden durch enzymatische Reaktionen koordiniert. Viele Enzyme benoetigen zusaetzliche Molekuele, Kofaktoren genannt, fuer die optimale Aktivitaet. Organische Kofaktoren oder wie Haem, Sirohaem partizipieren direkt in enzymatischen Reaktionen, um komplizierte katalytische Umwandlungen zu ermoeglichen. Waehrend die Reaktionsmechanismen, in die Kofaktoren involviert sind, oft seit Jahrzehnten erforscht werden, ist ueber deren Biosynthese und Transport in ihr Enzym meist sehr wenig bekannt. Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese zweier solcher Kofaktoren, dem Molybdaenkofaktor (Moco) und Haem d1. Moco und Haem d1 werden in mehreren Schritten hergestellt ueber einen evolutionaer konservierten Syntheseweg, der verschiedene enzymatische Reaktionen beinhaltet. In dieser Arbeit wurden die Strukturen von zwei Enzymen, Cnx1E and NirE, aufgeklaert, die in der Synthese von Moco and heme d1 involviert sind. Cnx1E ist die N-terminale Domaene des Proteins Cnx1 und katalysiert den finalen Schritt in der Moco Biosynthese, waehrend NirE an der initialen Umwandlung von Uroporphyrinogen III (Urogen III) zu Precorrin-2 beteiligt ist, welches durch weitere Reaktionsschritte zu Haem d1 umgwandelt wird. In dieser Arbeit wurden beide Proteine rekombinant in E. coli exprimiert, ueber Affinitaetschromatographie gereinigt und kristallisiert. Waehrend Cnx1E nur in der apo-Form kristallisiert werden konnte, wurde NirE sowohl ohne als auch mit gebundenem Kofaktor kristallisiert werden. Die molekulare Struktur der beiden Proteine wurde mittels Roentgenkristallographie aufgeklaert.