Riboflavin (Vitamin B2) dient als Vorläufer-Metabolit für Flavinmononukleotid (FMN) und Flavinadenindinucleotid (FAD), welche als Cofaktoren verschiedener Oxido-reduktasen fungieren und unabdingbar in jeder lebenden Zelle benötigt werden. Riboflavin-Synthase katalysiert den terminalen Schritt in der Vitamin B2-Biosynthese. In dieser, seit über 40 Jahren erforschten und immer noch nicht vollständig verstandenen, komplexen Dismutationsreaktion dient ein Lumazinmolekül (6,7-Dimethyl-8-(1/-D-Ribityl)-lumazin) als Donor einer C4-Kohlenstoffeinheit gegenüber einem zweiten Lumazinmolekül. Hierbei entsteht Riboflavin und ein Pyrimidindion-Derivat, welches von der metabolisch in der Stoffwechsel-Kaskade eins weiter oben stehenden Lumazin-Synthase wieder recycelt werden kann. In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, daß die Riboflavin-Synthasen aus Hefen und Bakterien als Trimere in wäßriger Lösung vorliegen. Kristallographische Studien sowie Modelling-Studien legen nahe, daß diese Riboflavin-Synthasen als asymmetrische Trimere aufgefaßt werden können, und folglich immer nur ein katalytisches Zentrum des Trimers zu einem Zeitpunkt kompetent ist, die Reaktion zu katalysieren. Im Detail wurde vorgeschlagen, daß trimere Riboflavin-Synthasen umfangreiche Konformationsänderungen vollführen können, mit dem Resultat, daß das aktive Zentrum zwischen benachbarten Monomeren temporär eine pseudo-C2-Symmetrie ausbildet. Nach diesem Modell erfolgt die Übertragung einer C4-Kohlen¬stoffeinheit des Substrates, gebunden an der C-terminalen Domäne des einen Monomers, auf die N-terminale Domäne des dort befindlichen Substrates des benachbarten Monomers. In der hier vorliegenden Kristallstruktur konnte einerseits gezeigt werden, daß archaeale Riboflavin-Synthasen - im Gegensatz zu den bisher bekannten (trimeren) Riboflavin-Synthasen - Homo-Pentamere darstellen, und andererseits, daß die Vitamin-B2-Biosynthese in einer rigiden asymmetrischen Kavität erfolgt, welche von zwei benachbarten Monomeren des Pentamers generiert wird. In der Komplexstruktur mit dem Substratanalogon liegen die beiden Moleküle in antiparalleler Orientierung und endo-Konformation zueinander vor, welches hauptsächlich durch ein Netzwerk von H-Brückenbindungen gewährleistet wird. Mit den Ergebnissen dieser Studie kann gezeigt werden, daß das Faltungsmuster gänzlich verschieden im Vergleich zu trimeren Riboflavin-Synthasen ist. Im wesentlichen entspricht das Faltungsmuster der dreidimensionalen Struktur der metabolisch in der Vitamin B2 Stoffwechselkaskade eins weiter oben stehenden Lumazin-Synthase. Diese weitgehend strukturelle Homologie erlaubt es uns, neue Hypothesen über die Evolution und Ursprung dieses Stoffwechselweges zu machen. Darüber hinaus können die verschiedenen - allesamt hypothetischen - Reaktionsmechanismen aufgrund der Topologie der Komplexstruktur in einer Art und Weise diskutiert werden, wie es bisher nicht möglich war; im Detail auch eine Reaktionssequenz, welche im ersten Schritt eine Diels-Alder-Reaktion darstellt. Die Geometrie der Komplexstruktur läßt den Diels-Alderase-Mechanismus als attraktives Modell erscheinen. Das Modell der Positionierung des pentacyclischen Reaktionsintermediats belegt, daß es nach Kenntnisstand der erste Präzedenzfall eines Enzyms (pentamere und trimere Riboflavin-Synthase) darstellt, daß mit zwei unterschiedlichen Faltungsmustern via zwei stereochemisch unterschiedlichen Intermediaten eine Reaktion im Stoffwechsel katalysiert. Diese Resultate, bezüglich des jetzt möglichen Vergleichs der unterschiedlichen Kavitäten von Lumazin- und Riboflavin-Synthasen, sowie die jetzt mögliche Neubewertung der allesamt hypothetischen Reaktionsmechanismen, könnten von richtungsweisender Bedeutung für die Entwicklung neuer Inhibitoren sein. Es ist zu hoffen, daß diese Ergebnisse eine Hilfestellung - obgleich es sich hier um eine archaeale Riboflavin-Synthase handelt - bieten, um die Entwicklung von Agentien gegen Lumazin- und Riboflavin-Synthasen aus pathogenen Organismen aus dieser Perspektive neu zu evaluieren.     «

Riboflavin (Vitamin B2) dient als Vorläufer-Metabolit für Flavinmononukleotid (FMN) und Flavinadenindinucleotid (FAD), welche als Cofaktoren verschiedener Oxido-reduktasen fungieren und unabdingbar in jeder lebenden Zelle benötigt werden. Riboflavin-Synthase katalysiert den terminalen Schritt in der Vitamin B2-Biosynthese. In dieser, seit über 40 Jahren erforschten und immer noch nicht vollständig verstandenen, komplexen Dismutationsreaktion dient ein Lumazinmolekül (6,7-Dimethyl-8-(1/-D-Ribityl...     »

Riboflavin (vitamin B2) serves as precursor for flavin mononucleotide (FMN) and flavin adenine dinucleotide (FAD), essential molecules which act as cofactors for several oxidoreductases that are indispensable in living cells. Riboflavin synthase catalyzes the terminal step in riboflavin biosynthesis. In this complex dismutation reaction (under research for more than four decades) one lumazine molecule (6, 7-dimethyl-8-(1/-D-ribityl)-lumazine) serves as donor of a C4-carbon unit, which is transferred to a second lumazine molecule. This generates riboflavin and a pyrimidindione derivative, which can be recycled by the metabolic (one step) upwards standing lumazine synthase. In the past years it could be shown, that riboflavin synthases from yeast and bacteria exist as trimers in solution. Crystallographic studies (and modelling studies) suggest that riboflavin synthases can be regarded as asymmetric trimers, consequently only one reaction centre is competent to catalyze the reaction at a given time. In detail it was proposed, that trimeric riboflavin synthases execute extensive conformational changes, which result in a temporary pseudo-C2-symmetry between adjacent monomers. According to this model a C4-carbon unit from one substrate, bound at the C-terminal domain is transferred to the substrate bound at the N-terminal domain of the adjacent monomer. In this study it could be shown on the one hand that archaeal riboflavin synthases – contrary to the hitherto known trimeric riboflavin synthases - represent homo pentamers, and on the other hand that the riboflavin biosynthesis results in an rigid asymmetric cavity, generated by adjacent monomers of the pentamer. In the complex structure both substrate analogon molecules show an anti-parallel endo-like conformation, which is mainly guaranteed by a network of hydrogen bonds. The results demonstrate a different folding pattern to trimeric riboflavin synthases. Essentially the folding pattern corresponds to the three dimensional structure of the metabolic (one step in riboflavin biosynthesis) upwards standing lumazine synthase. This homology allows us to postulate a new hypothesis of the evolution and origin of this metabolic pathway. In addition (based on the topology of the complex structure), all the hypothetical reaction mechanisms can be discussed in a way that was previously not possible; in detail a reaction sequence, which represents an Diels-Alder-reaction. The geometry of the complex structure shows that this model is attractive. The model of the positioning of the pentacyclic reaction intermediate verifies the postulate of the first reported case in metabolism that an enzyme (pentameric and trimeric riboflavin synthase, with two different folds) catalyzes a reaction via two different diastereomeric reaction intermediates. The results, concerning the comparison of the cavities of lumazine and riboflavin synthases, and the (now) possible new evaluation of the different reaction models may be a guideline for the development of new inhibitors affecting lumazine and riboflavin synthases from pathogenic organisms.     «

Riboflavin (vitamin B2) serves as precursor for flavin mononucleotide (FMN) and flavin adenine dinucleotide (FAD), essential molecules which act as cofactors for several oxidoreductases that are indispensable in living cells. Riboflavin synthase catalyzes the terminal step in riboflavin biosynthesis. In this complex dismutation reaction (under research for more than four decades) one lumazine molecule (6, 7-dimethyl-8-(1/-D-ribityl)-lumazine) serves as donor of a C4-carbon unit, which is transfe...     »