Respiratorischer Elektronentransport in Cyanobakterien

Cyanobakterien sind die größte und am stärksten diversifizierte Gruppe von Mikroorganismen auf unserer Erde. Sie waren die ersten und bis heute einzigen oxygenen phototrophen Bakterien, da sie die wasserspaltende Photosynthese quasi erfanden und durch die damit einhergehende Sauerstofffreisetzung die Evolution maßgeblich beeinflussten. Auch in der Sauerstoffbilanz der heutigen Erde sind sie von enormer Bedeutung. Hinsichtlich ihrer bioenergetischen Ausstattung und Morphologie sind sie einzigartig, da diese allgegenwärtigen Bakterien zwei Elektronentransportsysteme in einer nichtkompartimentierten Zelle enthalten. Nämlich den bereits erwähnten Elektronentransportapparat der Photosynthese, der auf der Thylakoidmembran (ICM) lokalisiert ist, und den respiratorischen Elektronentransport (die "Atmungskette"), der sowohl auf der Thylakoidmembran als auch auf der cytoplasmatischen Membran (CM) lokalisiert ist. Während die Photosynthese und ihre molekularen Grundlagen bereits gut erforscht sind, sind viele Komponenten der Atmungskette in diesen photosynthetischen Bakterien unbekannt. Beispielweise haben biochemische Untersuchungen gezeigt, dass - ähnlich wie in Mitochondrien höherer Organismen - eine sog. Cytochrom c Oxidase am Ende dieser Elektronentransportkette sitzt, die letztendlich molekularen Sauerstoff zu Wasser reduziert. Die Elektronendonoren sind allerdings unbekannt. Ein mitochondriales Cytochrom c ist unbekannt. Es konnte jedoch kürzlich gezeigt werden, dass Atmung und Photosynthese von der Verfügbarkeit zweier mobiler Metalloproteine abhängen, nämlich vom Hämeisenprotein Cytochrom c6 und vom Kupferprotein Plastocyanin. Je nach Verfügbarkeit von Eisen oder Kupfer kann eines dieser beiden Proteine als Elektronendonor für das Photosystem I dienen. Zusätzlich konnte vor kurzem ein weiterer potentieller Donor entdeckt werden, nämlich Cytochrom cM. Da in Cyanobakterien Atmung und Photosynthese reziprok effizient kontrolliert werden, ist es wahrscheinlich, dass die Elektronentransportketten gemeinsame Carrier haben. Diese Hypothese soll nun überprüft werden. Konkret sollen Cytochrome c6, Cytochrom cM und Plastocyanin aus drei Spezies (Synechocystis PCC 6803, Anabaena PCC 7119, Phormidium laminosum) rekominant dargestellt und ihre Reaktivität mit Cytochrom c Oxidase in isolierten CM und ICM- Membranen getestet werden. Weiters soll der direkte Elektronentransfer dieser Donoren mit der sog. CuA-Domäne der Untereinheit II der Cytochrom c Oxidase untersucht werden. Mittels ortsspezifischer Mutagenese, schneller kinetischer Messmethoden und NMR-Spektroskopie soll die Kinetik und Art der Protein-Protein-Wechselwirkung bestimmt werden. Die CuA-Domäne aus Synechocystis konnte kürzlich rekombinant dargestellt, charakterisiert und auf ihre Redoxaktivität getestet werden. Sie ist die Donor-Bindungsstelle und Elektroneneintrittsstelle der Cytochrom c Oxidase.

Cyanobakterien sind die größte und am stärksten diversifizierte Gruppe von Mikroorganismen auf unserer Erde. Sie waren die ersten und bis heute einzigen oxygenen phototrophen Bakterien, da sie die wasserspaltende Photosynthese quasi erfanden und durch die damit einhergehende Sauerstofffreisetzung die Evolution maßgeblich beeinflussten. Auch in der Sauerstoffbilanz der heutigen Erde sind sie von enormer Bedeutung. Hinsichtlich ihrer bioenergetischen Ausstattung und Morphologie sind sie einzigartig, da diese allgegenwärtigen Bakterien zwei Elektronentransportsysteme in einer nichtkompartimentierten Zelle enthalten. Nämlich den bereits erwähnten Elektronentransportapparat der Photosynthese, der auf der Thylakoidmembran (ICM) lokalisiert ist, und den respiratorischen Elektronentransport (die "Atmungskette"), der sowohl auf der Thylakoidmembran als auch auf der cytoplasmatischen Membran (CM) lokalisiert ist. Während die Photosynthese und ihre molekularen Grundlagen bereits gut erforscht sind, sind viele Komponenten der Atmungskette in diesen photosynthetischen Bakterien unbekannt. Beispielweise haben biochemische Untersuchungen gezeigt, dass - ähnlich wie in Mitochondrien höherer Organismen - eine sog. Cytochrom c Oxidase am Ende dieser Elektronentransportkette sitzt, die letztendlich molekularen Sauerstoff zu Wasser reduziert. Die Elektronendonoren sind allerdings unbekannt. Ein mitochondriales Cytochrom c ist unbekannt. Es konnte jedoch kürzlich gezeigt werden, dass Atmung und Photosynthese von der Verfügbarkeit zweier mobiler Metalloproteine abhängen, nämlich vom Hämeisenprotein Cytochrom c6 und vom Kupferprotein Plastocyanin. Je nach Verfügbarkeit von Eisen oder Kupfer kann eines dieser beiden Proteine als Elektronendonor für das Photosystem I dienen. Zusätzlich konnte vor kurzem ein weiterer potentieller Donor entdeckt werden, nämlich Cytochrom cM. Da in Cyanobakterien Atmung und Photosynthese reziprok effizient kontrolliert werden, ist es wahrscheinlich, dass die Elektronentransportketten gemeinsame Carrier haben. Diese Hypothese soll nun überprüft werden. Konkret sollen Cytochrome c6, Cytochrom cM und Plastocyanin aus drei Spezies (Synechocystis PCC 6803, Anabaena PCC 7119, Phormidium laminosum) rekominant dargestellt und ihre Reaktivität mit Cytochrom c Oxidase in isolierten CM und ICM- Membranen getestet werden. Weiters soll der direkte Elektronentransfer dieser Donoren mit der sog. CuA-Domäne der Untereinheit II der Cytochrom c Oxidase untersucht werden. Mittels ortsspezifischer Mutagenese, schneller kinetischer Messmethoden und NMR-Spektroskopie soll die Kinetik und Art der Protein-Protein-Wechselwirkung bestimmt werden. Die CuA-Domäne aus Synechocystis konnte kürzlich rekombinant dargestellt, charakterisiert und auf ihre Redoxaktivität getestet werden. Sie ist die Donor-Bindungsstelle und Elektroneneintrittsstelle der Cytochrom c Oxidase.