Authors:	Schweikardt, Thorsten
Title:	Zur Struktur und Funktion der Typ-3-Kupferproteine sowie der Lichtsammlerkomplexe LHCI und LHCII
Online publication date:	29-Jul-2008
Year of first publication:	2008
Language:	german
Abstract:	In der vorliegenden Arbeit wurden die bioinformatischen Methoden der Homologie-Modellierung und Molekularen Modellierung dazu benutzt, die dreidimensionalen Strukturen verschiedenster Proteine vorherzusagen und zu analysieren. Experimentelle Befunde aus Laborversuchen wurden dazu benutzt, die Genauigkeit der Homologie-Modelle zu erhöhen. Die Ergebnisse aus den Modellierungen wurden wiederum dazu benutzt, um neue experimentelle Versuche vorzuschlagen. Anhand der erstellten Modelle und bekannten Kristallstrukturen aus der Protein-Datenbank PDB wurde die Struktur-Funktionsbeziehung verschiedener Tyrosinasen untersucht. Dazu gehörten sowohl die Tyrosinase des Bakteriums Streptomyces als auch die Tyrosinase der Hausmaus. Aus den vergleichenden Strukturanalysen der Tyrosinasen resultierten Mechanismen für die Monophenolhydroxylase-Aktivität der Tyrosinasen sowie für den Import der Kupferionen ins aktive Zentrum. Es konnte der Beweis geführt werden, daß die Blockade des CuA-Zentrums tatsächlich der Grund für die unterschiedliche Aktivität von Tyrosinasen und Catecholoxidasen ist. Zum ersten Mal konnte mit der Maus-Tyrosinase ein vollständiges Strukturmodell einer Säugetier-Tyrosinase erstellt werden, das dazu in der Lage ist, die Mechanismen bekannter Albino-Mutationen auf molekularer Ebene zu erklären. Die auf der Basis des ermittelten 3D-Modells gewonnenen Erkenntnisse über die Wichtigkeit bestimmter Aminosäuren für die Funktion wurde durch gerichtete Mutagenese an der rekombinant hergestellten Maus-Tyrosinase getestet und bestätigt. Weiterhin wurde die Struktur der Tyrosinase des Krebses Palinurus elephas durch eine niedrigaufgelöste 3D-Rekonstruktion aus elektronenmikroskopischen Bildern aufgeklärt. Der zweite große Themenkomplex umfasst die Strukturanalyse der Lichtsammlerkomplexe LHCI-730 und LHCII. Im Falle des LHCII konnte der Oligomerisierungszustand der LHCMoleküle mit diskreten Konformationen des N-Terminus korreliert werden. Auch hier kam eine Kombination von Homologie-Modellierung und einer experimentellen Methode, der Elektronen-Spin-Resonanz-Messung, zum Einsatz. Die Änderung des Oligomerisierungszustands des LHCII kontrolliert den Energiezufluß zu den Photosystemen PS I und PS II. Des Weiteren wurde ein vollständiges Modell des LHCI-730 erstellt, um die Auswirkungen gerichteter Mutagenese auf das Dimerisierungsverhalten zu untersuchen. Auf Basis dieses Modells wurden die Wechselwirkungen zwischen den Monomeren Lhca1 und Lhca4 evaluiert und potentielle Bindungspartner identifiziert. In this work, the bioinformatic methods homology modeling and molecular modeling were used to predict and analyze the 3D structure of multiple proteins. Results from experimental studies helped to enhance the accuracy of the homology models. The results from the homology modeling studies in turn guided the planning of new experiments. Based on crystal structures from the protein database and the generated homology models, the structure/function-relationship of several tyrosinases was studied, including tyrosinases from the bacterium Streptomyces as well as that from the mouse Mus musculus. The comparative analysis of those tyrosinases yielded mechanisms for monophenol hydroxylation and copper-import into the active site. Proof was presented that the steric accessibility of the CuA-site is the reason for the different enzymatic activities of tyrosinases and catecholoxidases. For the first time, a complete model of the active site of a mammalian tyrosinase was generated. The model is able to explain certain albino mutations on a molecular level. The analysis of the homology models led to the identification of amino acids vital for the enzymatic mechanism. The analysis was confirmed by site-directed mutagenesis in recombinantly expressed mouse tyrosinase. Furthermore, the low resolution structure of tyrosinase from the lobster Palinurus elephas was solved by 3D reconstruction. The second part of this thesis comprises the structural analysis of the light harvesting complexes LHCI and LHCII. The oligomerization state of LHCII was correlated with discrete changes in the N-terminus conformation. The change in oligomerization state controls the energy flow between photosystems PSI and PSII. Here, a combination of homology modelling and electron paramagnetic resonance was used. In another experiment, a complete model of the heterodimer LHCI-730 was generated in order to explain the effects of mutations on the dimerization abilities on the complex. The model enabled us to evaluate the interactions between the monomers Lhca1 and Lhca4 as well as to identify potential binding partners at the molecular interface.
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-2611
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-16818
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen