Advanced

Protein complexes in chlorophyll biosynthetic enzymes

Peterson Wulff, Ragna LU (2011)
Abstract (Swedish)
Abstract in Undetermined

Proteins are found on the inside, in the membrane, on the surface and on the outside of cells. They form complicated structures and they interact with other molecules and proteins. Protein complexes and protein-protein interactions are challenging to investigate and in the beginning of protein research most studies were done with single proteins, often in water. Although, in vivo proteins rarely function alone.



To study protein complexes, two enzymes in the chlorophyll biosynthetic pathway were selected, Mg-chelatase in Rhodobacter capsulatus (bacteria) and the MPE cyclase complex in Hordeum vulgare (barley) and Arabidopsis thaliana (mouse-ear cress). Chlorophyll is a pigment... (More)
Abstract in Undetermined

Proteins are found on the inside, in the membrane, on the surface and on the outside of cells. They form complicated structures and they interact with other molecules and proteins. Protein complexes and protein-protein interactions are challenging to investigate and in the beginning of protein research most studies were done with single proteins, often in water. Although, in vivo proteins rarely function alone.



To study protein complexes, two enzymes in the chlorophyll biosynthetic pathway were selected, Mg-chelatase in Rhodobacter capsulatus (bacteria) and the MPE cyclase complex in Hordeum vulgare (barley) and Arabidopsis thaliana (mouse-ear cress). Chlorophyll is a pigment formed through a complicated reaction path. Chlorophyll biosynthesis takes place in chlorophyll-producing organisms. The first

committed step towards chlorophyll biosynthesis is performed by the enzyme complex Mg-chelatase. Mg-chelatase inserts a Mg2+ ion into the porphyrin substrate. The pathway is continued by a methyltransferase and thereafter the MPE cyclase complex which performs a complicated ring-closure in the porphyrin.



Mg-chelatase is composed of three proteins, BchI (40 kDa), BchD (60 kDa) and BchH (130 kDa). A cryo-electron microscopy model of the BchID complex (7.5 Å) revealed a two-tired hexameric ring structure with an arrangement of the subunits as a trimer of dimers. The transient full complex of Mg-chelatase, BchIDH, was chemically cross-linked and BchH was found to interact with the Dside of the BchID complex.



The MPE cyclase complex was more difficult to study and two of the three core components of the complex are still unknown. An interesting enzyme, NADPH-dependent thioredoxin reductase C (NTRC), was found to stimulate the MPE cyclase reaction together with a 2-Cys peroxiredoxin. NTRC was characterised further with regards to function and structure. The enzyme consists of a fusion between a NADPH-dependent thioredoxin reductase polypeptide and a thioredoxin polypeptide in the C-terminal. The three-dimensional structure of

NTRC was determined with cryo-electron microscopy (10.0 Å) and revealed a tetramer.



Popular Abstract in Swedish

Proteiner består av långa kedjor av aminosyrer sammanlänkade med en så kallad peptidbindning. Proteinet är således en organisk molekyl och den har en hög molekylvikt som mäts i kilodalton (kDa). Proteiner kan agera som enzymer dvs de underlättar en biokemisk rektion. Ett protein kan vara funktionellt som en enhet och kallas då monomer. Ibland behövs flera proteiner, antingen av samma sort eller av olika proteiner, för att proteinet ska vara aktivt. De sitter då ihop i ett

proteinkomplex. Två proteiner som sitter ihop kallas dimer, tre en trimer, fyra en tetramer, osv. Är de två proteinerna i dimeren av samma sort talar man om en homodimerer. Är de av olika sort så är det en heterodimer. Man kan också tala om oligomerer när det är två eller flera proteiner som sitter samman eller när man inte vet hur många som ingår.



De proteinkomplex som jag valt att studera ingår i klorofyllbiosyntesen. De är Mgchelatase från en bakterie (Rhodobacter capsulatus), samt MPE cyclase-komplexet från korn (Hordeum vulgare) och från backtrav (Arabidopsis thaliana). Alla tre valda organismer är klassiska modellsystem inom biokemisk analys. En syntes betyder att ”sätta ihop” och i biokemisk mening är det en stegvis process där en molekyl bildas, som exempelvis klorofyll.



Klorofyll är ett pigment och består av en komplicerad organisk ringstruktur, en porfyrin, med en magnesiumjon i mitten och en sidokedja som kallas fytol. Klorofyll absorberar blått och rött

ljus men inte grönt ljus och därav uppfattas växter som gröna. Detta är alltså den färg som reflekteras av klorofyllpigmentet. Klorofyll är involverat i den så viktiga fotosyntesen, som växter, men indirekt även övrigt liv på jorden, är beroende av. I fotosyntesen omvandlar växter vatten och koldioxid till kolhydrater och syre.



Mg-chelatase består av tre olika proteiner med olika storlek, BchI (40 kDa = litet), BchD (60 kDa = mellanstort) och BchH (130 kDa = stort). De tre proteinerna kan tillsammans genomföra det första enzymatiska steget i klorofyllsyntesen där startmaterialet heter protoporfyrin IX och produkten heter Mg-protoporfyrin IX.



Mg-chelatase sätter in en magnesiumjon i mitten av porfyrinen. I avhandlingen visas hur BchI och BchD sitter ihop i en dubbel ringformation med sex stycken enheter av BchI och BchD. För första gången visas också att BchH interagerar med BchD i ID-komplexet och inte med BchI.



MPE cyclase-komplexet består av minst tre stycken kärnkomponenter, varav endast en (Xantha-l) i nuläget är känd. Det enzymatiska steget som MPE cyclasekomplexet genomför är från Mg-protoporfyrin monometylester (MPE) till Mgprotoklorofyllide och är en ringslutning av den femte ringen i porfyrinen. Det är ett mycket komplicerat reaktionssteg och utöver de tre kärnkomponenterna behövs även andra proteiner. Två av dem presenteras i avhandlingen som NADPH-beroende

tioredoxin reduktas C (NTRC) och 2-Cys peroxiredoxin. De två proteinerna kan tillsammans öka hastigheten på det enzymatiska steget som MPE cyclaset genomför. NTRC har också karakäriserats med avseende på sin tredimensionella struktur och då upptäcktes att NTRC bildar en oligomer bestående av fyra stycken proteiner som länkats samman.

Avhandlingen består av den sammanfattande delen som ”kappan” utgör (kapitel 1-6) samt fyra stycken artiklar bifogade därefter, som avhandlingen baseras på.



Första artikeln (Paper I) är en strukturanalys av ID-komplexet i Mg-chelatase. Artikel nummer två (Paper II) är en studie av proteininteraktioner inom IDH-komplexet i Mg-chelatase. Nästa artikel (Paper III) handlar om NTRC och 2-Cys peroxiredoxin som visar sig vara viktiga för MPE cyclase-reaktionen. Sista artikeln (Paper IV) är en karaktärisering av NTRC med avseende på funktion och struktur. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Assoc. Prof. Kieselbach, Thomas, Umeå University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
electron microscopy, mass spectrometry, Rhodobacter capsulatus, barley, cyclase, magnesium chelatase, chlorophyll biosynthetic pathway, Protein complex
pages
113 pages
publisher
Department of Chemistry, Lund University
defense location
KC, Sal C
defense date
2012-01-27 13:15
ISBN
978-91-7422-288-3
language
English
LU publication?
yes
id
1a73c1d0-f55e-47f2-9f3d-f92f12e32768 (old id 2256620)
date added to LUP
2011-12-27 22:04:33
date last changed
2016-09-19 08:45:05
@phdthesis{1a73c1d0-f55e-47f2-9f3d-f92f12e32768,
  abstract     = {<b>Abstract in Undetermined</b><br/><br>
Proteins are found on the inside, in the membrane, on the surface and on the outside of cells. They form complicated structures and they interact with other molecules and proteins. Protein complexes and protein-protein interactions are challenging to investigate and in the beginning of protein research most studies were done with single proteins, often in water. Although, in vivo proteins rarely function alone.<br/><br>
<br/><br>
To study protein complexes, two enzymes in the chlorophyll biosynthetic pathway were selected, Mg-chelatase in Rhodobacter capsulatus (bacteria) and the MPE cyclase complex in Hordeum vulgare (barley) and Arabidopsis thaliana (mouse-ear cress). Chlorophyll is a pigment formed through a complicated reaction path. Chlorophyll biosynthesis takes place in chlorophyll-producing organisms. The first<br/><br>
committed step towards chlorophyll biosynthesis is performed by the enzyme complex Mg-chelatase. Mg-chelatase inserts a Mg2+ ion into the porphyrin substrate. The pathway is continued by a methyltransferase and thereafter the MPE cyclase complex which performs a complicated ring-closure in the porphyrin.<br/><br>
<br/><br>
Mg-chelatase is composed of three proteins, BchI (40 kDa), BchD (60 kDa) and BchH (130 kDa). A cryo-electron microscopy model of the BchID complex (7.5 Å) revealed a two-tired hexameric ring structure with an arrangement of the subunits as a trimer of dimers. The transient full complex of Mg-chelatase, BchIDH, was chemically cross-linked and BchH was found to interact with the Dside of the BchID complex.<br/><br>
<br/><br>
The MPE cyclase complex was more difficult to study and two of the three core components of the complex are still unknown. An interesting enzyme, NADPH-dependent thioredoxin reductase C (NTRC), was found to stimulate the MPE cyclase reaction together with a 2-Cys peroxiredoxin. NTRC was characterised further with regards to function and structure. The enzyme consists of a fusion between a NADPH-dependent thioredoxin reductase polypeptide and a thioredoxin polypeptide in the C-terminal. The three-dimensional structure of<br/><br>
NTRC was determined with cryo-electron microscopy (10.0 Å) and revealed a tetramer.<br/><br>
<br/><br>
<b>Popular Abstract in Swedish</b><br/><br>
Proteiner består av långa kedjor av aminosyrer sammanlänkade med en så kallad peptidbindning. Proteinet är således en organisk molekyl och den har en hög molekylvikt som mäts i kilodalton (kDa). Proteiner kan agera som enzymer dvs de underlättar en biokemisk rektion. Ett protein kan vara funktionellt som en enhet och kallas då monomer. Ibland behövs flera proteiner, antingen av samma sort eller av olika proteiner, för att proteinet ska vara aktivt. De sitter då ihop i ett<br/><br>
proteinkomplex. Två proteiner som sitter ihop kallas dimer, tre en trimer, fyra en tetramer, osv. Är de två proteinerna i dimeren av samma sort talar man om en homodimerer. Är de av olika sort så är det en heterodimer. Man kan också tala om oligomerer när det är två eller flera proteiner som sitter samman eller när man inte vet hur många som ingår.<br/><br>
<br/><br>
De proteinkomplex som jag valt att studera ingår i klorofyllbiosyntesen. De är Mgchelatase från en bakterie (Rhodobacter capsulatus), samt MPE cyclase-komplexet från korn (Hordeum vulgare) och från backtrav (Arabidopsis thaliana). Alla tre valda organismer är klassiska modellsystem inom biokemisk analys. En syntes betyder att ”sätta ihop” och i biokemisk mening är det en stegvis process där en molekyl bildas, som exempelvis klorofyll. <br/><br>
<br/><br>
Klorofyll är ett pigment och består av en komplicerad organisk ringstruktur, en porfyrin, med en magnesiumjon i mitten och en sidokedja som kallas fytol. Klorofyll absorberar blått och rött<br/><br>
ljus men inte grönt ljus och därav uppfattas växter som gröna. Detta är alltså den färg som reflekteras av klorofyllpigmentet. Klorofyll är involverat i den så viktiga fotosyntesen, som växter, men indirekt även övrigt liv på jorden, är beroende av. I fotosyntesen omvandlar växter vatten och koldioxid till kolhydrater och syre.<br/><br>
<br/><br>
Mg-chelatase består av tre olika proteiner med olika storlek, BchI (40 kDa = litet), BchD (60 kDa = mellanstort) och BchH (130 kDa = stort). De tre proteinerna kan tillsammans genomföra det första enzymatiska steget i klorofyllsyntesen där startmaterialet heter protoporfyrin IX och produkten heter Mg-protoporfyrin IX.<br/><br>
<br/><br>
Mg-chelatase sätter in en magnesiumjon i mitten av porfyrinen. I avhandlingen visas hur BchI och BchD sitter ihop i en dubbel ringformation med sex stycken enheter av BchI och BchD. För första gången visas också att BchH interagerar med BchD i ID-komplexet och inte med BchI.<br/><br>
<br/><br>
MPE cyclase-komplexet består av minst tre stycken kärnkomponenter, varav endast en (Xantha-l) i nuläget är känd. Det enzymatiska steget som MPE cyclasekomplexet genomför är från Mg-protoporfyrin monometylester (MPE) till Mgprotoklorofyllide och är en ringslutning av den femte ringen i porfyrinen. Det är ett mycket komplicerat reaktionssteg och utöver de tre kärnkomponenterna behövs även andra proteiner. Två av dem presenteras i avhandlingen som NADPH-beroende<br/><br>
tioredoxin reduktas C (NTRC) och 2-Cys peroxiredoxin. De två proteinerna kan tillsammans öka hastigheten på det enzymatiska steget som MPE cyclaset genomför. NTRC har också karakäriserats med avseende på sin tredimensionella struktur och då upptäcktes att NTRC bildar en oligomer bestående av fyra stycken proteiner som länkats samman.<br/><br>
Avhandlingen består av den sammanfattande delen som ”kappan” utgör (kapitel 1-6) samt fyra stycken artiklar bifogade därefter, som avhandlingen baseras på.<br/><br>
<br/><br>
Första artikeln (Paper I) är en strukturanalys av ID-komplexet i Mg-chelatase. Artikel nummer två (Paper II) är en studie av proteininteraktioner inom IDH-komplexet i Mg-chelatase. Nästa artikel (Paper III) handlar om NTRC och 2-Cys peroxiredoxin som visar sig vara viktiga för MPE cyclase-reaktionen. Sista artikeln (Paper IV) är en karaktärisering av NTRC med avseende på funktion och struktur.},
  author       = {Peterson Wulff, Ragna},
  isbn         = {978-91-7422-288-3},
  keyword      = {electron microscopy,mass spectrometry,Rhodobacter capsulatus,barley,cyclase,magnesium chelatase,chlorophyll biosynthetic pathway,Protein complex},
  language     = {eng},
  pages        = {113},
  publisher    = {Department of Chemistry, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Protein complexes in chlorophyll biosynthetic enzymes},
  year         = {2011},
}