Modifizierung von prenylierenden Enzymen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt Untersuchungen zum Mechanismus der initialen Diphosphataktivierung sowie die Aufklärung funktional spezifischer Aminosäuren während der Katalyse von Prenyltransferasen und -synthasen. Der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Hydrolyse des allylischen DMAPPs wurde mittels 31P-NMR-Spektroskopie enzymfrei analysiert. Im metallfreien System ist erst nach Energiezufuhr eine Hydrolyse zu verzeichnen. Metallkationen und niedrigere pH Werte überführen das Diphosphat in eine besserer Abgangsgruppe. Basierend auf ab initio Berechnungen und durch zielgerichtete Mutagenese konnte die essentielle Rolle aromatischer Aminosäuren und Methionin während der Katalyse der membrangebundenen Oligoprenyltransferase UbiA belegt werden. Kation-π- bzw. Methionin- Wechselwirkung stabilisieren das intermediäre Kation und ermöglichen so den Prenyltansfer. Eine katalytische Diade (Y596 und D518) der Limonensynthase aus Cannabis sativa (CsTPS1) konnte über Mutagenesestudien postuliert werden. Erstmalig wurden die kinetischen Konstanten der CsTPS1 mittels 1H-NMR Spektroskopie ermittelt.

This thesis deals with the elucidation of the initial activation of diphosphates and the role of essential amino acids during the catalysis by terpene transferases and synthases. The influence of different parameters on the hydrolysis of DMAPP in an enzyme free system is monitored by 31P-NMR analysis. In absence of metal ions the hydrolysis of DMAPP is detectable only after heating. Metal ions and strongly acidic conditions support the cleavage of the diphosphate from the prenyl unit. Based on ab initio calculations the functional role of aromatic amino acids and methionine in the catalysis of membrane bound oligoprenyltransferase (UbiA) from E. coli was investigated by site directed mutagenesis. Cation-π or cation-methionine interactions may play a crucial role by stabilization of the intermediate prenyl cation to support the product formation. Furthermore a catalytic dyad consisting of tyrosine and aspartate was identified as essential for the intermediate proton transfer in the limonene synthase from Cannabis sativa. Moreover it was possible to determine the catalytic parameters of this monoterpene synthase by 1H-NMR analysis.