Anpassung an hohe Temperaturen

Sowohl beim Menschen als auch bei einfachen Bakterien ist Gluconeogenese, die Fähigkeit, Zucker aus einfacheren chemischen Bausteinen neu zu synthetisieren, ein zentraler Weg des Stoffwechsels. Dieser Prozess konnte jedoch bisher wissenschaftlich nicht abschließend analysiert werden. Die Arbeitsgruppen von Oliver Einsle vom Institut für Organische Chemie und Biochemie, Zentrum für Biologische Signalstudien (BIOSS), Freiburg Institute of Advanced Studies (FRIAS) sowie von der Spemann Graduiertenschule (SGBM) und Georg Fuchs vom Institut für Biologie II haben nun einen grundlegend neuartigen Typ multifunktioneller Enzyme in diesem Stoffwechselweg beschrieben. In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature stellen sie ihre Ergebnisse vor.

Die Aldolase, ein zentrales Enzym der Gluconeogenese, schien bei dem gesamten Organismenreich der Archaea, so genannter Urbakterien, zu fehlen. Rafael Say und Georg Fuchs entdeckten im Jahr 2010, dass das Enzym Fructose-1,6-bisphosphatase auch die Aufgabe der Aldolase übernehmen konnte, obwohl die Aminosäuren des Enzyms, die an der Aldolasereaktion beteiligt sind, weit von der Bindestelle des Substrats entfernt waren.

Um dieses scheinbare Paradoxon aufzulösen, wurde das Enzym Fructose-1,6-bisphosphat-Aldolase/Phosphatase (FBPAP) von Juan Du und Wei Lü in der Arbeitsgruppe von Oliver Einsle untersucht. Dabei konnten dreidimensionale Raumstrukturen bei hoher Auflösung bestimmt werden, die einen überraschend komplexen Reaktionsmechanismus im Detail aufzeigten. Das Ergebnis: Es ist das Protein selbst, das sich um das fest gebundene Substratmolekül herum neu organisiert. Gelenkt wird dieser komplizierte Prozess durch die Bindung zusätzlicher Magnesiumionen, die in der Zelle in hinreichender Menge zur Verfügung stehen. Durch diese Bindung verändern sich drei Bereiche des Enzyms grundlegend, und das Aktivzentrum verwandelt sich von einer Aldolase in eine Phosphatase.

Die Freiburger Forscher haben mit diesem Mechanismus ein neuartiges multifunktionelles Enzym charakterisiert. Es ist anzunehmen, dass derartige zusätzliche katalytische Fähigkeiten auch bei anderen Proteinen vorkommen, dort aber bislang unentdeckt blieben. Im Fall der FBPAP stellt dieser ungewöhnliche Mechanismus vermutlich eine Anpassung an das Leben bei hohen Temperaturen dar, bei denen die Ausgangsstoffe der Reaktion nicht stabil sind.

Veröffentlichung: Juan Du, Rafael F. Say, Wei Lü, Georg Fuchs, Oliver Einsle (2011): Active-site remodelling in a bifunctional fructose-1,6-bisphosphate aldolase/phosphatase: Nature, .