Authors:	Schmidt, Juliane
Title:	Röntgenkristallstrukturaufklärung der Hämoglobine des Breitmaulnashorns Ceratotherium simum und des Krallenfroschs Xenopus laevis
Online publication date:	24-Aug-2017
Year of first publication:	2017
Language:	german
Abstract:	Es wurden die Kristallstrukturen der Hämoglobine des Breitmaulnashorns Ceratotherium simum (HbCs) und des Krallenfroschs Xenopus laevis (HbXl) aufgeklärt. Beim Krallenfrosch handelt es sich um einen Modellorganismus in biologischer und medizinischer Forschung. Die Kristallstruktur des HbCs besitzt eine Auflösung von 2,1 Å, befindet sich in der met-Form und liegt im R2-Zustand vor. Die Kristallisation des Proteins im R2-Zustand ist unter den genutzten Kristallisationsbedingungen ungewöhnlich und konnte auf eine Salzbrücke zwischen ßHis69 und ßGlu20 zurückgeführt werden, welche den R2-Zustand fixiert. Des Weiteren liefert die Kristallstruktur Einblicke in die 2,3-BPG-Bindestelle und die Veränderung der bindungsbeteiligten Aminosäure ßGlu2, welche vermutlich für die hohe Sauerstoffaffinität des Proteins verantwortlich ist. Erste Vergleiche mit den Hämoglobinen anderer großer Säugetiere zeigen, dass auch dort Mutationen in der 2,3-BPG-Bindestelle vorliegen. Man kann daher mutmaßen, dass die oft gezeigte Korrelation zwischen Körpergröße und Sauerstoffaffinität in direktem Zusammenhang mit der Mutation der 2,3-BPG-Bindestelle dieser Hämoglobine steht. Die Kristallstruktur des HbXl besitzt eine Auflösung von 2,7 Å und es handelt sich dabei um die erste und bisher einzige Kristallstruktur eines Hämoglobins aus einer Amphibie. Das Hämoglobin liegt in seiner met-Form vor und ist im R-Zustand kristallisiert. Obwohl das HbXl nur eine ca. 50%ige Gesamtsequenzidentität zu anderen Hämoglobinen aufweist, zeigt es trotz allem die typische Globinfaltung und die tetramere Struktur der Hämoglobine. Eine ungewöhnlich niedrige Haltbarkeit des Proteins wurde auf eine intermolekulare Disulfidbrücke zurückgeführt, die zu einer Verkettung der Hämoglobine führen kann. Es wurden außerdem Strukturbesonderheiten diskutiert, die in Verbindung mit der Sauerstoffaffinität des Proteins sowie dem Root-Effekt der marinen Knochenfische stehen. Das HbXl besitzt Sauerstoffbindungseigenschaften die als „rudimentärer Root-Effekt“ bezeichnet werden können und anhand der Struktur war es möglich einen strukturellen Mechanismus zu konstruieren, welcher diese speziellen Sauerstoffbindungseigenschaften des HbXl erklärt. Sequenzvergleiche mit den „wahren“ Root-Effekt-Hämoglobinen der Knochenfische zeigen, dass der in dieser Arbeit vorgestellte „Schaltermechanismus“ auch bei den Knochenfischen eine Rolle bei der Ausprägung des Root-Effekts spielen könnte. This study elucidated the hemoglobin crystal structures of the white rhinoceros Ceratotherium simum (HbCs) and the clawed frog Xenopus laevis (HbXl). Especially the structure of HbXl was of interest due to its role as model organism in biology and medicine. The obtained crystal structure of HbCs has a resolution of 2.1 Å and indicates met form and R2 state conformation. R2 state is unexpected under the chosen experimental conditions but it can be explained by the stabilizing effect of a salt bridge between ßHis69 and ßGlu20. The crystal structure allows a closer inspection of the amino acid ßGlu2 in the 2,3-BPG binding site. Having a strong impact on oxygen affinity, this position was compared to the corresponding positions in the amino acid sequences of hemoglobins from other large mammals revealing a high variability throughout the species. This suggests that the correlation between body size and oxygen affinity may be linked to the 2,3-BPG binding site, especially the ßGlu2 position of the hemoglobin. The crystal structure of HbXl is the first crystal structure of an amphibian hemoglobin ever obtained and has a resolution of 2.7 Å. It crystallized in met form and R state. Although HbXl shares only about 50% sequence identity with hemoglobins of other species, it shows the typical globin folding of the subunits and the tetrameric quaternary structure. HbXl’s low in vitro stability is possibly caused by a putative intermolecular disulphide bridge interlinking single hemoglobins to chains. Additionally, HbXl’s special structural features associated with oxygen affinity and the root effect of hemoglobins from marine teleost fishes were discussed. In this context HbXl possesses characteristics that may be labelled as ‘rudimentary root effect’. Based on the crystal structure it was possible to propose a mechanism that explains HbXl’s special oxygen affinity. Furthermore, sequence comparison suggests that this mechanism is also present in ‘real‘ root effect hemoglobins.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2532
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000014682
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	145 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen