Ferrochelatase and Magnesiumchelatase: Metal chelation studied with mutants

Abstract

Magnesium chelatase and ferrochelatase are two very important enzymes, which are involved in chlorophyll and heme biosynthesis, respectively. They both use protoporphyrin IX as substrate but magnesium chelatase inserts a magnesium ion whereas ferrochelatase inserts a ferrous ion. These two enzymes have been studied in this thesis. Even though they both insert a metal ion into protoporphyrin IX they are very different. Magnesium chelatase is a multimeric enzyme comprised of three different subunits that requires ATP for chelation while ferrochelatase in a monomeric enzyme that does not need ATP for chelation to occur. Ferrochelatase is relatively well characterised and the aim of the research has been to explain the mechanism of the chelation reaction, while the research on magnesium chelatase that is not that well known has been focused on basic characterisation. This thesis is based on six papers.



Paper I suggests an amino acid residue located on the outside of the ferrochelatase as being a site for interaction with another protein. This protein is suggested to deliver substrate or retrieve product.



Paper II investigated the amino acids residues, which are involved in the binding of the metal substrate to ferrochelatase.



Paper III investigates the interaction between BchI and BchD subunits of magnesium chelatase.



Paper IV is a characterisation at DNA, mRNA and protein level of barley xantha-f mutants. The gene product is the largest subunit of the magnesium chelatase.



Paper V investigates conserved amino acid residues responsible for the binding of the protoporphyrin IX substrate to the largest subunit of magnesium chelatase and estimate Kd values for deuteroporphyrin IX binding to BchH. The results of the binding studies indicate the presence of two types of binding site to the BchH subunit.



Paper VI demonstrates so-called gun (genomes uncoupled) phenotype in barley xantha-f, -g and –h mutants, but not in a xantha-l mutants. The study supports Mg-protoporphyrin IX as a signal molecule in chloroplast-to-nucleus signal transduction.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tänk dig en solig sommardag. Du går runt med en glass i handen och mår allmänt bra. Runt om dig finns gröna lummiga träd och vackra blommor i alla möjliga färger. Naturen visar verkligen sin vackraste sida. I dagens samhälle tänker man inte så ofta på den mångfald av färger som omger oss. Den blåa himlen, den gula solen, det röda blodet och det gröna gräset. Kanske beror det på att vi inte har tid att fundera på det eller så bryr vi oss inte på grund av att det alltid har funnits där. De enda som ifrågasätter det vi ser och konstant frågar, är barn. För dom är allting spännande och nytt. Så vad är det med dessa färger då? I min avhandling tar jag upp två av naturens färger, det gröna i växter och det röda i blod. Dess färg beror på speciella molekyler. Det gröna i gräset är klorofyll och det röda i blodet kallas heme som är en del av det mer kända hemoglobinet. Så varför har jag tittat närmare på två så skilda saker som klorofyll och heme? De är inte så olika som man kan tro. Tittar man på de olika molekylerna heme och klorofyll så ser man direkt att de är ganska lika. Båda molekylerna är så kallade tetrapyrroler med en sorts ringformad struktur. Den största skillnaden mellan de båda molekylerna är att i heme så sitter det ett järn (Fe) i mitten medan det sitter ett magnesium (Mg) i klorofyll. Så hur kan de vara så lika? Det beror på att de tillverkas på samma sätt i celler. Det vill säga, de delar samma syntesväg. De gör de fram till dess att metallen skall sättas in. I det steget så tar ett enzym hand om insättningen av magnesium och ett annat enzym tar hand om insättningen av järn. Enzymer är en sorts proteiner och är cellens egna verktyg för tillverkning av olika saker i cellen. Det enzym som sätter in järnet kallas för ferrokelatas och det som sätter in magnesium heter magnesium kelatas. Det är dessa två enzym som jag har arbetat med under min tid på Avdelningen för Biokemi. Målet med mitt arbete har varit att ta reda på mer om dessa enzym så vi kan förstå hur de kan sätta in metallerna. Enzymer är uppbyggda av flera aminosyror i ett långt band och sedan har detta band veckats som ett nystan. Detta nystan blir ett enzym som kan utföra en reaktion genom att de molekyler som skall sättas ihop kan binda inne i enzymet. De binder till aminosyrorna. När det har bundit kan enzymet putta in metallen i ringen så att den fastnar och man får en ny molekyl. I mitt arbete har jag använt mutanter. I en mutant kan en av aminosyrorna, d.v.s. en av de små byggstenarna som protein är uppbyggda av, ändrats till en helt annan aminosyra. Detta kan göra att enzymet inte fungerar som det skall eller att det fungerar på ett annorlunda sätt. I mitt arbete har jag fått kunskaper om magnesium kelatas och ferrokelatas genom att titta på sådana här avvikelser.

• author: Olsson, Ulf
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof von Wettstein, Diter, Department of Crop and Soil Sciences, Genetics and Cell Biology, Washington State University, Pullman, USA
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Biochemistry, chlorophyll, heme, barley, mutants, Magnesium chelatase, ferrochelatase, Metabolism, Biokemi, metabolism
• pages: 146 pages
• defense location: Seminar Room B, Chemical Center, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 2003-09-26 10:15:00
• ISBN: 91-7422-031-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I.In vivo and in vitro studies of Bacillus subtilis ferrochelatase mutants suggest substrate channelling in the heme biosynthesis pathway.Olsson, U. Billberg, A. Sjövall, S. Al-Karadaghi, S. & Hansson, M.J. Bacteriol. (2002) 184(14): 4018-24.1 Article: II.Metal binding to Bacillus subtilis ferrochelatase and interaction between metal sites.Lecerof, D. Fodje, MN. Alvarez León, R. Olsson, U. Hansson, A. Sigfridsson, E. Ryde, U. Hansson, M. & Al-Karadaghi, S.J. Biol. Inorg. Chem. (2003) Apr; 8(4): 452-8.2 Article: III.ATPase deficient BchI binds to BchD in the enzyme magnesium chelatase.Lake, V. Olsson, U. Al-Karadaghi, S. Willows, R. & Hansson, M.Manuscript Article: IV.Characterisation of eight barley xantha-f mutants, deficient in magnesium chelatase.Olsson, U. Sirijovski, N. & Hansson, M.Manuscript Article: V.Characterisation of the porphyrin-binding site in the magnesium chelatase H subunit from R. capsulatus.Sirijovski, N. Olsson, U. Hansson, M.&Willows, R.Manuscript Article: VI.Analysis of gun phenotype in barley magnesium chelatase and cyclase mutants.Gadjieva, R. Olsson, U. Axelsson, E.& Hansson, M.Manuscript
• id: 366881b5-bfc2-4bcb-b6ae-c6059e4f6cf7 (old id 466168)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:42:58
• date last changed: 2018-11-21 21:06:44