04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

Die photosynthetische Einheit (PSU) des Purpurbakteriums Rhodospirillum rubrum, bestehend aus einem Reaktionszentrum (RC) und einem Lichtsammelkomplex (LH1), der dieses ringförmig umschließt, ist ein hervorragendes Modellsystem bei der Untersuchung makromolekularer Protein-Superkomplexe. Im Zuge der hier vorgelegten Arbeit wurde das puhB-Gen aus dem puh Operon von R. rubrum deletiert, da den Genen des puh Operons eine wichtige, wenn auch nicht essentielle Rolle bei der Assemblierung der PSU zugesprochen worden war (vgl. z. B. Wong et al., 1996, J. Bacteriol. 178: 2334-2342). Der Phänotyp der erhaltenen puhB-Deletionsmutanten SPUHB15 (carotinoidhaltig) und GPUHB1 (carotinoidlos) wies einige Besonderheiten auf, die in puhB-Deletionsmutanten eines verwandten Purpurbakteriums, Rhodobacter capsulatus, nicht aufgetreten waren. So zeigten die R. rubrum puhB-Deletionsmutanten eine extrem hohe Sauerstoffempfindlichkeit, was, unter anderem, in einer Anhäufung von Sekundärmutationen während semi-aerober Inkubation im Dunkeln deutlich wurde. Es stellte sich heraus, dass vor allem die LH1-Komplexe der Mutanten sehr empfindlich gegenüber verschiedenen reaktiven Sauerstoffspezies waren, während sich die RCs als vergleichsweise stabil erwiesen. Dies deutete darauf hin, dass im Wildtyp PuhB mit dem LH1 interagiert. Verschiedene Spektroskopie-Experimente konnten schließlich einen Erklärungsansatz auf molekularer Ebene liefern. Bislang hatte ein LH1-Modell vorgeherrscht, bei dem der LH1-Ring aus 16 identischen Untereinheiten (bestehend aus jeweils zwei Polypeptidketten, zwei Bacteriochlorophyll-Molekülen und einem Carotinoid) zusammengesetzt ist. Der hier aufgestellten Hypothese nach ist das PuhB-Protein jedoch in diesen LH1-Ring eingebaut und ersetzt dabei eine der 16 Untereinheiten, d. h. der LH1-Ring besteht aus nur 15 Untereinheiten und einem PuhB-Protein. Wenn PuhB fehlt, so wird an seiner Stelle eine sechzehnte Untereinheit in den Ring eingebaut, was zu sterischen Behinderungen und damit einer Destabilisierung der LH1-Struktur führt. In der so veränderten LH1-Stuktur sind die Bacteriochlorophylle für reaktive Sauerstoffspezies leichter zugänglich und können somit leichter mit diesen reagieren, was zur Degradation des LH1 und damit der ganzen photosynthetischen Membran führen kann. In dieser Arbeit konnte außerdem mit Hilfe von Komplementierungsexperimenten nachgewiesen werden, dass das PuhB-Protein auch mit einer der drei Untereinheiten des RCs, der sogenannten H-Untereinheit, eng wechselwirkt. Die Interaktion von PuhB mit sowohl dem LH1 als auch dem RC könnte der Grund dafür sein, dass in vivo die PSUs von R. rubrum nahezu immer perfekt assembliert sind, d. h. RC und LH1 liegen im Verhältnis 1:1 vor, was bedeutet, dass es keine „leeren“ LH1-Ringe (ohne RCs) gibt. (In den puhB-Deletionsmutanten war mit Hilfe von Spektroskopie- und Gelelektrophorese-Experimenten ein relativer Überschuss von LH1-Komplexen im Vergleich zu den RCs nachweisbar gewesen.) Zusätzlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass während der Photosynthese-Reaktionen PuhB wahrscheinlich auch am Transfer von Redoxäquivalenten (in Form von Ubichinon (UQ) und Ubichinol (UQH2)) durch den sonst geschlossenen LH1-Ring hindurch vom RC zum UQ/UQH2-Membranpool beteiligt ist, d. h. die bisher noch unklar definierte „Öffnung“ im LH1-Ring für den UQ-Transfer könnte in Gestalt des PuhB-Proteins vorliegen. In der vorliegenden Arbeit wird also ein neues PSU-Modell postuliert, in dem PuhB als integraler Bestandteil der PSU sowohl mit dem LH1-Komplex als auch dem RC interagiert und gleichzeitig einen erfolgreichen UQ-Tranfer durch den LH1-Ring gewährleistet.

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