Lothar Brecker

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STD-NMR in der Biokatalyse Untersuchung nichtkovalenter Enzym-Substrat Bindungen
Lothar Brecker, Hannes Fasshuber, Markus Husa und Michael Vogl
Universität Wien, Institute für Organische Chemie,
Währinger Straße 38, A-1090 Wien, Austria.
e-Mail: lothar.brecker@univie.ac.at
Saturation Transfer Difference NMR (STD NMR) wird seit über 10 Jahren zur Untersuchung
von Protein-Ligand Wechselwirkungen eingesetzt. Ein Einsatzgebiet ist das zeiteffiziente
Screening von Substanzbibliotheken hinsichtlich der Bindung einzelner Komponenten an
ausgewählte Proteine. Weiterhin erlaubt die Methode auf molekularer Ebene umfangreiche
Studien zu Bindungsmustern, die einen Einblick in die Grundlagen nichtkovalenter ProteinLigand Bindungen geben. Das Haupteinsatzgebiet findet die STD NMR somit in der
biochemischen Strukturanalytik sowie in der Biomedizin. [1]
Wir nutzen STD NMR zur Analyse der Wechselwirkungen von Enzymen mit Substraten,
Intermediaten und Produkten während biokatalysierter Prozesse. Die Bindungsmuster werden
dabei sowohl unter reinen Bindungsbedingungen, als auch während der Katalyse detektiert.
Die Analyse von Enzym-Produkt Interaktionen findet im Reaktionsgleichgewicht statt und
Enzym-Edukt Bindungen werden bei geringer katalytischer Aktivität vermessen. Ein Ansatz
bei hohen Umsatzraten und schneller Produktdissoziation ermöglicht Bindungsstudien von
Intermediaten, die die Enzyme erstmalig als neu gebildete Produkte verlassen. [2]
Die STD NMR erlaubt uns weiterhin die Untersuchung der zeitgleichen Bindung von
Substraten und Co-Enzymen oder Co-Substraten. Hierbei werden nicht nur die
Wechselwirkungen von organischen Molekülen (NADH, NAD+, etc.) im Detail studiert,
sondern auch Einflüsse detektierbar, die durch protonenfreie Co-Substrate (z.B. Phosphate)
erzeugt werden. [3] Aktuell widmen wir uns den Effekten, die bei kurzzeitig auftretenden
kovalenten Enzym-Intermediat Bindungen während der katalytischen Vorgänge vorliegen.
Neben dem Bindungsverhalten von Substraten an natürliche Wildtyp-Enzyme stehen
vergleichende Wechselwirkungsstudien an Mutanten im Fokus der Untersuchungen. Dabei ist
die Bindung unnatürlicher Substrate vor dem Hintergrund möglicher synthetischer
Anwendungen ein wichtiger Aspekt. [3,4] Die Daten der STD-NMR Messungen erlauben
somit in silico erstellte Bindungsmodelle zu verifizieren und zu verfeinern. [5] Ziel ist nicht
nur die Beschreibung der reinen Substratbindung, sondern aller Bindungsvorgänge während
des gesamten katalytischen Prozesses. Ein STD-NMR geführtes, zielgerichtetes Design von
Enzym-Mutanten für ausgewählte katalytische Zwecke scheint somit künftig möglich.
[1] B. Meyer, T. Peters, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 864-890.
[2] L. Brecker, G.D. Straganz, C.E. Tyl, W. Steiner, B. Nidetzky, J. Mol. Catal. B.: Enzymatic 2006, 42, 85-89.
[3] L. Brecker, A. Schwarz, C. Gödl, R. Kratzer, C.E. Tyl, B. Nidetzky, Carbohydr. Res. 2008, 343, 2153-2161.
[4] A. Schwarz, L. Brecker, B. Nidetzky, FEBS J. 2007, 274, 5105-5115.
[5] N.R. Krishna, V. Jayalakshmi, Prog. NMR Spectrosc. 2006, 49, 1-25.
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