Die Flavocoenzyme FMN und FAD sind in allen zellulären Organismen absolut essentiell. Während Pflanzen und einige Mikroorganismen ihr eigenes Riboflavin produzieren, sind andere Mikroorganismen und Säuger auf die Aufnahme des Vitamins aus externen Quellen angewiesen. In allen Fällen muß unphosphoryliertes Riboflavin in die Coenzymformen umgewandelt werden. Das Enzym Flavokinase katalysiert die Phosphorylierung von Riboflavin an seiner 5`-OH Gruppe zu FMN. Als zweites Substrat ist ATP notwendig, das im Laufe der katalytischen Reaktion eine seiner Phosphatgruppen auf Riboflavin überträgt und selbst als ADP aus der Reaktion hervorgeht. Die monofunktionelle eukaryotische Flavokinase aus Schizosaccharomyces pombe wurde im Rahmen dieser Arbeit in Escherichia coli rekombinant exprimiert, gereinigt und zur Kristallisation gebracht. Die Struktur des Proteins konnte mittels Röntgenstrukturanalyse aufgeklärt werden. Die Flavokinase wurde als ein Vertreter einer neuen Familie von phosphatübertragenden Enzymen identifiziert. Die Struktur wurde mit den gebundenen Produkten ADP und FMN untersucht, so daß die Struktur des aktiven Zntrums ermittelt werden konnte. Ergebnisse aus 13C NMR Experimenten mit unterschiedlich 13C markierten Riboflavinen zeigten gute Übereinstimmung mit der Kristallstruktur. Das Enzym Riboflavin Synthase katalysiert den letzten Schritt der Riboflavin Biosynthese, bei dem in einer ungewöhnlichen Dismutationsreaktion 2 Moleküle 6,7-Dimethyl-8-ribityllumazin zu Riboflavin und 5-Amino-6-ribitylamino-2,4(1H,3H)-pyrimidindion reagieren. Mit trifluormethylsubstituierten Intermediatanaloga wurden 19F NMR Untersuchungen an den Riboflavin Synthasen aus Escherichia coli sowie aus Schizosaccharomyces pombe durchgeführt. Alle untersuchten Riboflavin Synthasen binden die eingesetzten Fluorlumazine in mehr als zwei unterschiedlichen Zuständen, die man für ein c3 symmetrisches Protein erwarten würde. Die Messungen mit Mutanten der Riboflavin Synthasen führten zur Zuordnung der NMR Signale zu N- bzw. C-terminalen Bindungsstellen. Die Riboflavin Synthase aus Schizosaccharomyces pombe zeigte eine ungewöhnliche Proteindynamik in Abhängigkeit von den Konzentrationsverhältnissen von Protein zu Ligand, was für den Reaktionsmechanismus von großer Bedetung sein kann.
Translated abstract:
The flavocoenzymes FMN and FAD are absolutely indispensable in all cellular organisms. Riboflavin is biosynthesized by plants and many microorganisms. Many other microorganisms and mammalians depend on the uptake of the vitamin from external sources. All organisms are able to convert the precursor, riboflavin, into the active flavin nucleotide cofactors. The phosphorylation of riboflavin to form FMN by the second substrat ATP is catalyzed by the enzyme flavokinase. A monofunctional eucaryotic flavokinase from Schizosaccharomyces pombe was expressed in a recombinant Escherichia coli strain. The enzyme was purified and the structure of the protein was determined by X-ray crystallography. Flavokinase is suggested to form a novel family of phosphoryl transferring enzymes. Crystal structure of Schizosaccharomyces pmbe flavokinase reveals a novel ATP and riboflavin binding fold. The crystal structure was determined in substrate free form and in complex with the products ADP and FMN. Results from 13C NMR studies on the enzyme with 13C labled riboflavin are in good accordance with the crystal strucure. The enzyme riboflavin synthase catalyzes the final step of the riboflavin biosynthesis, a mechanistically complex dismutation of 6,7-dimethyl-8-ribityllumazine affording riboflavin and 5-amino-6-ribitylamino-2,4(1H,3H)-pyrimidinedione. Protein perturbation studies monitored by 19F NMR with fluorine-substituted intermediate analogs and riboflavin synthases from E. coli and S. pombe had suggested that the binding sites of the homotrimeric riboflavin synthase are not topologically equivalent. 19F NMR protein perturbation experiments using fluorine-substituted intermediate analogs show multiple signals indicating that a given ligand can be bound in at least 4 different states. 19F NMR signals of enzyme-bound intermediate analogs were assigned to ligans bound by the N-terminal respectively C-terminal folding domain on basis of NMR studies with mutant proteins. The 19F NMR data of the riboflavin synthase from S. pombe suggest large scale dynamic mobility in the trimeric protein which may play an important role in the reaction mechanism.
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