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Biologische Systeme und Medizin Poster: Mi., 14:00–16:30 M-P182
Transiente Protein-Ligand-Wechselwirkungen im Verlauf von Enzymkatalysen
im Shikimat-Reaktionsweg von M. tuberculosis
Hans D. Bartunik 1 , Gleb P. Bourenkov 1 , Marc Bruning 1 , Marcus
Hartmann 1 , Galina S. Kachalova 1
1 Max-Planck-Arbeitsgruppen für Strukturelle Molekularbiologie, MPG-ASMB c/o DE-
SY, Notkestrasse 85, 22603 Hamburg
Im Rahmen des XMTB-Strukturgenomik-Konsortiums untersuchten wir die Struktur-
Funktionsbeziehungen von Schlüsselenzymen des Shikimat-Reaktionswegs in Mycobacterium
tuberculosis. Wir lösten zunächst die Kristallstrukturen der Enzyme und einer
Reihe von Komplexen mit natürlichen Substraten und Kofaktoren. In einem weiteren
Schritt untersuchten wir intermediäre Zustände im Verlauf der katalytischen Reaktionen.
Für zwei der Enzyme, Shikimat-Kinase (AroK) und EPSP-Synthase (AroA),
konnte jeweils der gesamte Reaktionsweg im Kristall einschließlich der Bildung und
der stufenweisen Freisetzung der Produkte bei hoher Auflösung verfolgt werden. Für
ein weiteres Enzym, die Chorismat-Synthase (AroF), wurde einer der Zwischenschritte
strukturmodelliert. Der Shikimat-Reaktionsweg ist essentiell für die Synthese aromatischer
Aminoäuren in Mikroorganismen. Der Reaktionsweg existiert nicht in Mammalien.
Diese Enzyme stellen daher potentielle Ziele für die Entwicklung neuer Antibiotika
dar.
Die Reaktionsmechanismen der untersuchten Enzyme schließen konzertierte Konformationsänderungen
ein, die vor allem im Falle von AroA hohe Komplexität aufweisen.
Die beiden Substrate Shikimat-3-Phosphat (S3P) und PEP werden von der EPSP-
Synthase in sequentiellen Schritten gebunden. Die Wechselwirkung mit S3P induziert
Bewegungen großer Amplitude, die für die Bildung der PEP-Bindungsstelle erforderlich
sind. Das nachfolgende Andocken von PEP liefert das Signal für eine Schließbewegung
der N- und C-terminalen Domänen. Die Reaktion setzt sich über die Bildung
eines tetraedrischen Intermediats, die Trennung in Enolpyruvylshikimat-3-Phosphat
(EPSP) und Phosphat, sowie die Freisetzung der Produkte von einer partiell geöffneten
Konformation des Enzymmoleküls fort. Die strukturelle Charakterisierung sämtlicher
Einzelschritte schafft eine Basis für eine detaillierte Beschreibung des chemischen
Mechanismus.
Das Vorhaben wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung,
BMBF/PTJ, unter der Projektnummer BIO/0312992A gefördert.