Struktur-Funktionsbeziehung einer lichtgetriebenen Protonenpumpe aus Coccomyxa subellipsoidea
Creators: name: Fudim, Roman
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2018
Subjects: subject: Protonenpumpen
subject: Rhodopsin
subject: Spektroskopie
subject: Strukturbiologie
subject: Bakteriorhodopsin
subject: Proton pumps
subject: Spectroscopy
subject: Structural biology
subject: Bacteriorhodopsin
subject: 570 Biowissenschaften; Biologie
subject: WE 5440

description: Die lichtgetriebene Protononenpumpe Bacteriorhodopsin (BR) aus Halobacterium salinarum stellt den Prototyp lichtgetriebener Protonenpumpen dar und wurde durch strukturelle und spektroskopische Untersuchungen als einfaches Modellsystem für Protonentransferschritte in Proteinen etabliert. Aufgrund der schlechten heterologen Expression von BR in Wirtszellen konnten elektrophysiologische Untersuchungen unter kontrollierter Membranspannung jedoch nur vereinzelt durchgeführt werden und erlaubten kaum Rückschlüsse zum Einfluss einzelner Aminosäuren auf die Pumpkraft des Proteins. Das dem BR nahverwandte Coccomyxa subellipsoidea Rhodopsin (CsR) hingegen zeigte gegenüber BR etwa 8-fach größere Photoströme in elektrophysiologischen Messungen in Xenopus laevis Oozyten und ermöglichte so eine umfangreiche elektrophysiologische Charakterisierung. Dabei konnten Unterschiede zu BR, wie etwa die erhöhte Spannungsabhängigkeit oder die erhöhte Toleranz der Pumpkraft gegenüber dem extrazellulären pH, auf Grundlage des Sequenzvergleiches nicht geklärt werden. Entsprechend wurden, um weitere mechanistische Details zu klären, im Rahmen dieser Arbeit spektroskopische und röntgenkristallographische Untersuchungen an CsR vorgenommen. Dabei konnte eine hochauflösende Kristallstruktur von CsR gelöst werden, die es erlaubt, mechanistische Unterschiede zu anderen lichtgetriebenen Protonenpumpen auf strukturelle Unterschiede zurück zu führen. So konnte die erhöhte Spannungsabhängigkeit mit der besonderen Komposition des zytoplasmatischen Halbkanals und die erhöhte Toleranz gegenüber dem äußeren pH mit der einzigartigen Konfiguration des Protonenfreisetzungskomplexes in CsR assoziiert werden. Letztlich konnte auf Grundlage der Struktur CsR, durch rationales Design, in einen licht-induzierten Protonenkanal transformiert werden, der bereits bei physiologischen Bedingungen quasisymmetrische bidirektionale Ströme zeigt.
description: The light-driven proton pump bacteriorhodopsin (BR) from Halobacterium salinarum represents the prototype of light-driven proton pumps and was established by structural and spectroscopic investigations as a simple model system for proton transfer steps in proteins. However, due to the poor heterologous expression of BR in host cells, electrophysiological investigations under controlled membrane potential could only be carried out in some cases and hardly allowed conclusions to be drawn about the influence of individual amino acids on the pumping force of the protein. Coccomyxa subellipsoidea rhodopsin (CsR), which is closely related to BR, showed about 8 times larger photocurrents in electrophysiological measurements in Xenopus laevis oocytes than BR and thus enabled an extensive electrophysiological characterization. Observed differences to BR, such as the increased voltage dependence or the increased tolerance of the pumping force to the extracellular pH, could not be clarified solely on the basis of the sequence comparison. Accordingly, in order to clarify further mechanistic details, spectroscopic and X-ray crystallographic investigations on CsR were carried out within the scope of this work. A high-resolution crystal structure of CsR was solved, which allows to link mechanistic differences to other light-driven proton pumps to structural differences. Thus, the increased voltage dependence could be addressed by the special composition of the cytoplasmic half channel and the increased tolerance to the external pH could be associated with the unique configuration of the proton release complex in CsR. Finally, by a structure-based rational design approach, CsR was transformed into a light-induced, which shows almost symmetrical bidirectional currents already under physiological conditions.