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Acyl-CoA Dehydrogenases : mechanistic studies on Medium Chain Acyl-CoA Dehydrogenase

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2005

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Gradinaru, Vasile Robert

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Acyl-CoA Dehydrogenasen: Mechanistische Untersuchungen mit der "Medium chain"-Acyl-CoA-Dehydrogenase
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Acyl-CoA dehydrogenases constitute a family of flavoproteins that catalyze the a,b-dehydrogenation of fatty acid acyl-CoA thioesters. Medium chain acyl-CoA dehydrogenase (MCAD) is one of the best-studied members of this family. The a,b-dehydrogenation reaction involves the concerted C-H bonds cleavage of the substrate. First, the active site base, Glu376-COO-, removes a proton by and then a hydride is transferred to the flavin N(5) position of FAD. In my thesis MCAD several mechanistic details of the dehydrogenation reaction for MCAD were investigated. For this, among other things, a mutant of MCAD was created, which carries a C-terminal "His Tag". Addition of affinity His Tag facilitates purification of recombinant MCAD. For the investigation of the mechanism above several E376- or/and E99-MCAD mutants were used. Last one received an earlier attention since the Glu99 is located underneath of the active site of MCAD. This residue affects ionizations inside the active center cavity. Many studies were focused on E376Q-MCAD mutant. This mutant was highly inactive, because the glutamine does not play the role of the base. However its residual activity is 1/100000 of that of wtMCAD. This is a small value, but has the same order of magnitude as those found in non-catalyzed reactions. Proton inventory technique was suitable for mechanistic study of this mutant. Apart from this, it was observed that the log of rates of dehydrogenation increases linearly with the pH suggesting HO- as a reactant. A similar dependence was observed with Glu376Gln+Glu99Gly-MCAD. Thus, activity and reduction studies exclude Glu99 as a candidate for proton abstraction in the first step of dehydrogenation. E376Q-MCAD mutant reflected a large unexpected solvent isotope effect of approx. 8.5. The large isotope effects resulted from proton inventory experiments are attributed to the change in state of several H-bonds that occur during the process. A further investigation concerns the role of a special H-bond between N(5) of the flavin cofactor and Thr168-OH. However, an amino acid functional group that forms such a H-bond is strictly conserved in the ACAD familily (Thr or Ser). In the absence of this H-bond (T168A-MCAD) two effects could be observed: a) electronic influence on the substrate activation as well as on the redox potential of the flavin; b) steric - this H-bond is involved in the fine-tuning of the orientation of the flavin cofactor and ligand. Another threonine residue (Thr136) modulates the redox potential of the flavin (approx. -30 mV compared to wtMCAD 1.4 Kcal M-1). Thus e.g. with the Thr136Ala mutant the cofactor was partially reduced by the substrate, which is attributed to decrease of the redox potential. These experiments were supported by theoretical calculations, which were accomplished by Olga Dmitrenko working at Univ. of Delaware (USA) in Prof. R. Bach group.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Acyl-CoA Dehydrogenasen bilden eine Familie von Flavoproteinen, welche die a,b-Dehydrogenierung von Fettsäure-CoA Thioester. Die sogenannte "Medium Chain Acyl-CoA Dehydrogenase (MCAD)" ist eines der am besten untersuchten Mitglieder dieser Familie. Die a,b-Dehydrogenierung beinhaltet die konzertierte Spaltung der a- und b-C-H Bindunges des Substrates. Dies geschieht indem eine Base am Aktivzentrum, Glu376-COO-, das a-H als Proton abspaltet. Damit gekoppelt ist die Übertragung eines Hydrids aus der Substrat b-Stellung auf die Flavin N(5) Funktion. In meiner Dissertation habe ich verschiedene Aspekte der Katalyse durch die MCAD untersucht. Hierzu wurde u.A. auch eine Mutante der MCAD erzeugt, die am C-Terminus einen sog. "His Tag" trägt. Dies erleichtert die Reinigung von heterolog exprimiertem Protein. Zur Untersuchung des Mechanismus wurden vor allem Mutanten der E376- und der E99-Funktionen eingesetzt. Letztere befindet sich am Boden des Aktivzentrums und es wurde davon ausgegangen, dass es Ionisationsvorgänge innerhalb des Aktivzentrums beeeinflusst. Ein wesentlicher Teil der Studien betraf die E376Q-MCAD Mutation. Diese Mutante sollte eigentlich "tod" sein, denn das Glutamin hat keine basische Funktionen. Allerdings zeigt sie eine "residual activity" im Bereiche von 1/100000 verglichen mit wtMCAD. Dies ist zwar ein kleiner Wert, ist jedoch um eine gleiche Grössenordnung grösser als die unkatalysierte Reaktion. Zum Studium des Mechanismus der Reaktion, die durch diese Mutante katalysiert wird, wurde die sog. "proton inventory technique" eingesetzt. Zudem wurde ermittelt, dass die Geschwindigkeit dieser Reaktion linear mit dem pH zunimmt. Dies legt eine Beteiligung von HO- nahe. Eine Vergleichbare Abhängigkeit wurde mit der Glu376Gln+Glu99Gly-MCAD Mutante beobachtet. Dies schliesst eine Beteiligung von Glu99 bei der Reaktion aus. Die E376Q-MCAD Mutante zeigt einen aussergewöhnlich grossen Lösungsmittelisotopeneffekt ca. 8.5. Dies wird der Versänderung mehrerer H-Brücken im Verlaufe des Schrittes zugeschrieben. Eine weitere Untersuchung betrifft die Rolle einer "speziellen" Wasserstoff-brückenbindung zwischen N(5) des Flavinkofaktors und Thr168-OH. Eine funktionelle Gruppe, die eine ähnliche H-Brücke ausbilden kann ist inerhalb der ACAD-Familie konserviert (Thr oder Ser). Mit der T168A-MCAD Mutante, bei der diese H-Brücke nicht ausgebildet werden kann, sind zwei Arten von Effekt beobachtet worden: a) Einen Einfluss auf die Aktivierung des Substrates und auf das Redoxpotential des Flavins sowie b) eine Rolle bei der Optimierung der Orientierung zwischen substrat und Flavin. Ein weiteres Threonin (Thr136) moduliert das Redoxpotential des Flavins (ca. -30 mV im Vergleich zu wtMCAD =>1.4 Kcal M-1). So wird z.B. bei der Thr136Ala Mutante der Kofaktor nur noch teilweise reduziert, was auf die Erniedrigung des Redoxpotentials zurückgeführt wird. Diese Experimente wurden durch theoretische Berechnungen unterstützt, die durch die Gruppe um Prof. R. Bach (Univ. Delaware, USA) durchgeführt wurden.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

Acyl-CoA dehydrogenase, MCAD, medium chain

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ISO 690GRADINARU, Vasile Robert, 2005. Acyl-CoA Dehydrogenases : mechanistic studies on Medium Chain Acyl-CoA Dehydrogenase [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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November 9, 2005
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