Die Mineralisierung von Molybdän

Molybdat wird über einen ATP-getriebenen Piercing-Mechanismus in das Molybdänspeicher-Protein gepumpt

9. Dezember 2019

Basierend auf Röntgenkristallographie, Kryoelektronenmikroskopie, Wasserstoff-Deuteriumaustausch-Massenspektrometrie und Mutationsstudien zeigte das Team von Ulrich Ermler und Janet Vonck, dass große Mengen an Molybdat in einem Protein, dem sogenannten Molybdänspeicherprotein (MoSto) in Azotobacter vinelandii, einem gramnegativen, Stickstoff-fixierenden Bakterium, gespeichert werden können.

Die (αβ)3 hexamere MoSto-Struktur. (A) MoSto zeichnet sich durch eine käfigartige Architektur mit einem vollständig verschlossenen Hohlraum aus, der a Bild vergrößern
Die (αβ)3 hexamere MoSto-Struktur. (A) MoSto zeichnet sich durch eine käfigartige Architektur mit einem vollständig verschlossenen Hohlraum aus, der aus drei α- (grün) und drei β-Untereinheiten (blau) besteht. (B) Durch das Entfernen von 1 α- und β-Untereinheit auf der Vorderseite wird der innere Käfig sichtbar, der mit Polyoxometallat (POM)-Clustern gefüllt ist. Mo-Atome jedes POM-Clusters werden als verschiedenfarbige Kugeln dargestellt (Mo3, gelb; hexagonal- bipyramidales Mo8, blau; Mo5, hellbraun; kovalentes und nicht-kovalentes Mo8, cyan und orange; Mo14, pink). Die Topologien der vier POM-Cluster werden auch als Polyeder (in der gleichen Farbe) dargestellt, die mit Sauerstoff an den Scheitelpunkten  gebildet werden und die Molybdänatome mittels Eck- und Kantenteilungen verbinden. Jede Untereinheit hat eine Bindungsstelle für ATP, genannt α-ATP oder β-ATP (Stocklinien), die von außerhalb des Käfigs zugänglich ist. [weniger]

"Unsere Ergebnisse unterstützen das Auftreten von Molybdatkinase- und Pyrophosphatasereaktionen in MoSto, um Molybdat in den verschlossenen inneren Proteinkäfig gegen einen Molybdatgradienten zu pumpen", wie Ulrich Ermler erklärt. Die hohe Molybdatkonzentration im Käfig bewirkt einen Protein-unterstützten Zusammenbau der Molybdate zu Polyoxomolybdat-Clustern, bei dem etwa 130 Molybdänatome kompakt eingelagert werden. "Wir glauben, dass diese Art von Molybdatpumpen das bekannte mechanistische Repertoire an Adenosintriphosphat, ATP-gesteuerten Prozessen erweitert, da die chemische Energie der Hydrolyse des gebildeten Phosphor-Molybdän-Anhydrids auf das Molybdat zum Durchdringen der Käfigwand und nicht auf das Protein zum Öffnen der Poren über Konformationsänderungen übertragen wird."

Die Struktur von MoSto von Azotobacter vinelandii ist eine heterohexamere mit (αβ)3 -käfigartigen Einheiten. Die drei α-Untereinheiten, die eine 3-zählige Achse aufweisen, bilden die eine Hälfte des Käfigs und die architektonisch ähnlichen β-Untereinheiten bilden die andere Hälfte.

Relation Struktur-Funktion

Die Kryo-Elektronendichtekarte spiegelt deutlich einen MoSto-funktionalen Zustand wider. Diese Dichteverteilung ist sichtbar für das Mo3-Cluster, die kovalenten und nicht-kovalenten Mo8-Cluster, die zwei bipyramidenförmigen Mo8-Aggregate und für das ungeordnete Mo5-Cluster. ATP und vermutlich Mg2+ binden an die α-ATP-Bindungsstelle in nahezu identischer Weise wie in der Röntgenstruktur gezeigt. Die β-ATP-Bindungsstelle enthält auch ATP, umschließt aber eine Dichte jenseits des γ-Phosphatanteils. Darüber hinaus wird das β-ATP zusammen mit dem erweiterten Segment von β193 bis β225, das den Adenosinteil umschließt, um ca. 1,5 Å gegenüber der Röntgenstruktur Raumgruppe P6322 zur Käfigwand verschoben.

Interessanterweise ist der N-terminale Arm (Reste 3 bis 36) der Untereinheit α, der in der Röntgenstruktur P6322 ungeordnet vorliegt, in der EM-Struktur (mit 3,2 Å-Auflösung) geregelt angeordnet. Der α-N-terminale Arm liegt in einer fadenförmigen Konformation (mit einem kleinen schraubenförmigen Segment) vor, die sich um die β-Untereinheit wickelt und so das Triphosphat von β-ATP von der einzigen lösungsmittelzugänglichen Seite abschirmt. Die Terminalreste α6 bis α11 interagieren mit der Untereinheit β und mit den Untereinheiten α und β des benachbarten Dimers. Diese Studie über das käfigartige Molybdänspeicherprotein (MoSto) liefert detaillierte Einblicke in die Funktionsweise der Biomineralisierung von Molybdän in der Natur.

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