Electrochemical and electron transfer investigations of copper proteins

A study of the pH and temperature dependence of the redox potentials of azurins from five species of bacteria has been performed. The variations in the potentials with pH have been interpreted in terms of electrostatic interactions between the copper site and titrating histidine residues, including the effects of substitutions in the amino acid sequences of the proteins on the electrostatic interactions. A comparison of the observed pH dependences with predictions based on histidine pK_a values known for Pseudomonas aeruginosa (Pae), Alcaligenes denitrificans (Ade), and Alcaligenes faecalis (Afa) azurins indicates that the Pae and Ade redox potentials exhibit pH dependences in line with electrostatic arguments, while Afa azurin exhibits more complex behavior. Redox enthalpies and entropies for four of the azurins at low and high pH values have also been obtained. Based on these results in conjuction with the variable pH experiments, it appears that Bordetella bronchiseptica azurin may undergo a more substantial conformational change with pH than has been observed for other species of azurin.

The temperature dependence of the redox potential of bovine erythrocyte superoxide dismutase (SOD) has been determined at pH 7.0, with potassium ferricyanide as the mediator. The following thermodynamic parameters have been obtained (T = 25°C): E°' = 403±5 mV vs. NHE, ΔG°' = -9.31 kcal/mol, ΔH°' = -21.4 kcal/mol, ΔS°' = -40.7 eu, ΔS°'_(rc) = -25.1 eu. It is apparent from these results that ΔH°', rather than ΔS°', is the dominant factor in establishing the high redox potential of SOD. The large negative enthalpy of reduction may also reflect the factors which give SOD its high specificity toward reduction and oxidation by superoxide.

Physical characterization of the rack effect and hydrogen bond networks in blue copper proteins

A summary of previous research is presented that indicates that the purpose of a blue copper protein's fold and hydrogen bond network, aka, the rack effect, enforce a copper(II) geometry around the copper(I) ion in the metal site. In several blue copper proteins, the C-terminal histidine ligand becomes protonated and detaches from the copper in the reduced forms. Mutants of amicyanin from Paracoccus denitrificans were made to alter the hydrogen bond network and quantify the rack effect by pK_a shifts.

The pK_a's of mutant amicyanins have been measured by pH-dependent electrochemistry. P94F and P94A mutations loosen the Northern loop, allowing the reduced copper to adopt a relaxed conformation: the ability to relax drives the reduction potentials up. The measured potentials are 265 (wild type), 380 (P94A), and 415 (P94F) mV vs. NHE. The measured pK_a's are 7.0 (wild type), 6.3 (P94A), and 5.0 (P94F). The additional hydrogen bond to the thiolate in the mutants is indicated by a red-shift in the blue copper absorption and an increase in the parallel hyperfine splitting in the EPR spectrum. This hydrogen bond is invoked as the cause for the increased stability of the C-terminal imidazole.

Melting curves give a measure of the thermal stability of the protein. A thermodynamic intermediate with pH-dependent reversibility is revealed. Comparisons with the electrochemistry and apoamicyanin suggest that the intermediate involves the region of the protein near the metal site. This region is destabilized in the P94F mutant; coupled with the evidence that the imidazole is stabilized under the same conditions confirms an original concept of the rack effect: a high energy configuration is stabilized at a cost to the rest of the protein.

Biological electron transfer in copper proteins

Nature has used a variety of protein systems to mediate electron transfer. In this thesis I examine aspects of the control of biological electron transfer by two copper proteins that act as natural electron carriers.

In the first study, I have made a mutation to one of the ligand residues in the azurin blue copper center, methionine 121 changed to a glutamic acid. Studies of intramolecular electron transfer rates from that mutated center to covalently attached ruthenium complexes indicate that the weak axial methionine ligand is important not only for tuning the reduction potential of the blue copper site but also for maintaining the low reorganization energy that is important for fast electron transfer at long distances.

In the second study, I begin to examine the reorganization energy of the purple copper center in the CuA domain of subunit II of cytochrome c oxidase. In this copper center, the unpaired electron is delocalized over the entire binuclear site. Because long-range electron transfer into and out of this center occurs over long distances with very small driving forces, the reorganization energy of the CuA center has been predicted to be extremely low. I describe a strategy for measuring this reorganization energy starting with the construction of a series of mutations introducing surface histidines. These histidines can then be labeled with a series of ruthenium compounds that differ primarily in their reduction potentials. The electron transfer rates to these ruthenium compounds can then be used to determine the reorganization energy of the CuA site.

Identification of proteins that interact with the copper transporter ATP7B

In this study proteins were identified that interact with the key liver enzyme, ATP7B that is affected in the copper toxicity disorder Wilson disease. Detailed characterisation of the interaction with glutaredoxin and dynactin subunit p62 contributes significantly towards our understanding of the mechanisms that regulate copper balance in the body.

The role of copper transport proteins in the small intestines

Physiological copper homeostasis involves striking a balance between absorption and secretion. ATP7A was identified at the trans-Golgi network but relocalized to vesicles under copper exposure in the intestine. This suggests that ATP7A may be a rate limiting step in intestinal uptake of copper.

O2 activation at bioinspired complexes: dinuclear copper systems and mononuclear non-heme iron compounds. Mechanisms and catalytic applications in oxidative transformations

L'activació d'oxigen que té lloc en els éssers vius constitueix una font d'inspiració pel desenvolupament d'alternatives als oxidants tradicionals, considerats altament tòxics i nocius. En aquesta treball s'utilitzen compostos sintètics com a models del centre actiu de proteïnes dinuclears de coure i mononuclears de ferro de tipus no-hemo que participen en l'activació d'oxigen en els éssers vius. Els sistemes dinuclears de coure mostren un centre de tipus coure(III) bis(oxo) que és capaç de dur a terme l'ortho-hidroxilació de fenols de manera similar a la reacció que catalitza la proteïna tirosinasa. Per altra banda, els sistemes de ferro desenvolupats en aquest treball actuen com a models de les dioxigenases de Rieske i poden dur a terme l'hidroxilació estereoespecífica d'alcans i l'epoxidació i cis-dihidroxilació d'olefines utilitzant peròxid d'hidrogen com a agent oxidant. Tot plegat demostra que el desenvolupament de sistemes model constitueix una bona estratègia per l'estudi dels sistemes naturals.

Structure / function studies of mammalian copper ATPases

Wilson and Menkes diseases are genetic disorders of copper, caused by mutations in two proteins that act as copper pumps in the body. This study contributed to the understanding of how these proteins maintain adequate and safe copper levels in humans and may lead to new treatments for copper diseases.

Mechanisms regulating the function of the ATP7B copper-ATPase

The copper-transporting ATP7B protein is defective in patients with Wilson disease, which causes the accumulation of toxic levels of copper in the body particularly in the liver. This thesis provides new information about how ATP7B maintains copper levels in the body within safe limits.

Molecular analysis of the human copper uptake protein hCTR1

This study examined the role of the high-affinity copper uptake protein hCTR1 in cellular copper homeostasis and found hCTR1 was internalized in response to raised copper levels. The work from this thesis supports a model in which the regulation of hCTR1 is partially or wholly dependent upon internal copper levels.

The role of ATP7A in copper homeostasis

Menkes disease is a fatal genetic copper deficiency. The Menkes protein (ATP7A) was found to remove copper from tissues in mice that expressed the human ATP7A. Promising results were obtained with the use of a new copper complex for treatment of Menkes disease using a mouse model.

The Menkes/Wilson disease gene homologue in yeast provides copper to a ceruloplasmin-like oxidase required for iron uptake.

The CCC2 gene of the yeast Saccharomyces cerevisiae is homologous to the human genes defective in Wilson disease and Menkes disease. A biochemical hallmark of these diseases is a deficiency of copper in ceruloplasmin and other copper proteins found in extracytosolic compartments. Here we demonstrate that disruption of the yeast CCC2 gene results in defects in respiration and iron uptake. These defects could be reversed by supplementing cells with copper, suggesting that CCC2 mutant cells were copper deficient. However, cytosolic copper levels and copper uptake were normal. Instead, CCC2 mutant cells lacked a copper-dependent oxidase activity associated with the extracytosolic domain of the FET3-encoded protein, a ceruloplasmin homologue previously shown to be necessary for high-affinity iron uptake in yeast. Copper restored oxidase activity both in vitro and in vivo, paralleling the ability of copper to restore respiration and iron uptake. These results suggest that the CCC2-encoded protein is required for the export of copper from the cytosol into an extracytosolic compartment, supporting the proposal that intracellular copper transport is impaired in Wilson disease and Menkes disease.

Mutation analysis of the Menkes gene

Menkes disease is a copper deficiency caused by mutations in the Menkes gene, which encodes a copper-transporting protein. This study identified the causative mutations in several Menkes patients, which provided a diagnostic test for relatives and identified critical regions of the Menkes protein. Further regions were identified through functional analysis of mutations introduced by in vitro mutagenesis.

Untersuchungen zur rekombinanten Expression und Faltung pflanzlicher Tyrosinasen

In ihrer dualen Funktion als Monophenolhydroxylase (EC 1.14.18.1) und Diphenoloxidase (EC 1.10.3.1) ist die Tyrosinase das Schlüsselenzym der Melanogenese, der Synthese des Melanins, und übernimmt damit quer durch alle Organismenreiche Aufgaben von der Pigmentierung bis hin zu einer Beteiligung an der Immunantwort. Sie zählt, zusammen mit den Catecholoxidasen und Hämocyaninen, zu den Typ-3-Kupfer-Proteinen, die sich durch ein Aktives Zentrum auszeichnen, das in der Lage ist, Sauerstoff und phenolische Substrate reversibel zwischen zwei Kupfer-Ionen zu binden. Bisher konnte weder die Funktion der pflanzlichen Tyrosinase genau identifiziert, noch die Struktur eines solchen Enzyms aufgeklärt werden. Mit dem späteren Ziel, durch eine röntgenkristallographische Analyse die zugrunde liegende strukturelle Ursache der zusätzlichen Monophenolhydroxylase-Aktivität von Tyrosinasen gegenüber reinen Catecholoxidasen ermitteln zu können, wurde in dieser Arbeit ein bakterielles Expressionssystem entwickelt, das zur Herstellung einer rekombinanten Tyrosinase oder Polyphenoloxidase (PPO) aus Spinacia oleracea (Spinat) für die Kristallisation verwendet werden kann. Das rekombinante Protein wurde in Form von Inclusion Bodies isoliert, anhand einer Affinitätschromatographie aufgereinigt und in anschließende Rückfaltungsexperimente eingesetzt. In einer parallelen Versuchsreihe konnte Spinat, aufgrund seiner hohen Tyrosinaseaktivität, als geeignetes Objekt für die Isolation des nativen Enzyms identifiziert werden. Im Anschluss an eine Thylakoidpräparation, Solubilisierung der Thylakoidmembranen und Fällung des Proteins mit Ammoniumsulfat, wurden Experimente zur weiteren Anreicherung der Tyrosinase-Aktivität über eine Anionenaustausch-Chromatographie und zur Etablierung einiger nachfolgender Aufreinigungsschritte durchgeführt.

Über die Funktion und Struktur der Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus

Für die Aufklärung der chemisch anspruchsvollen Monophenolase-Reaktion von Tyrosinasen wurde ein System entwickelt, um das Zielprotein aus dem Bakterium Streptomyces antibioticus in großen Mengen und mit hoher Reinheit zu isolieren. Zudem konnte ein hypothetischer Reaktionsmechanismus für die Monophenolase- und die Diphenolase-Aktivität der Tyrosinase formuliert werden. Die beiden Reaktionen der S. antibioticus-Tyrosinase wurden kinetisch analysiert und auf diesem Weg die Aktivität des Enzyms mit jener der sehr gut charakterisierten Tyrosinase aus dem Pilz Agaricus bisporus verglichen. Hierbei wurden signifikante Unterschiede festgestellt, die auf die verschiedenartigen Proteinstrukturen zurückgeführt wurden. Auch konnte gezeigt werden, dass einige sekundäre Pflanzenstoffe, die vor allem in Wein zu finden sind und in ihrer chemischen Struktur den Tyrosinasesubstraten ähnlich sind, die Aktivität dieses Enzyms maßgeblich beeinflussen. Das O2-Transportprotein Hämocyanin aus der Vogelspinne Eurypelma californicum, das wie die Tyrosinase zu der Familie der Typ-3-Kupferproteine gehört, ist nach chemischer Aktivierung zur Phenoloxidase zur enzymatischen Quervernetzung von Proteinen fähig. Die Tatsache, dass diese Quervernetzung auch das Hämocyanin selbst betrifft, sowie der erfolgreiche Nachweis von Hämocyanin in der Kutikula des genannten Organismus, legen die Vermutung nahe, dass die physiologische Funktion von Hämocyanin im Rahmen der Sklerotisierung des Exoskeletts in einer aktiven und passiven Beteiligung an Gerbungsprozessen im Integument besteht.

3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn