Cytochrom C Oxidasen in diazotrophen filamentösen Cyanobakterien

Cyanobakterien besitzen die Fähigkeit sowohl Photosynthese, als auch Atmung zu betreiben. Nostoc sp. PCC 7120 ist ein filamentöses Cyanobakterium, welches zusätzlich molekularen Sticksoff fixieren kann. Die Stickstofffixierung findet in speziell differenzierten Zellen, den Heterocysten statt, welche sich unter Mangel gebundenen Stickstoffs im Medium entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Cytochrom c Oxidasen (Cox) aus Nostoc sp. PCC 7120, Schlüsselenzyme der Atmung, näher charakterisiert werden. Durch die Erforschung der Struktur und der Funktionsweise der Enzyme sollte auch näherer Aufschluss über die noch nicht vollständig geklärte physiologische Rolle der cyanobakteriellen Atmung gewonnen werden. Nostoc sp. PCC 7120 besitzt zwei Gene coxBAC1 und coxBAC2, welche für Cox1 und Cox2 codieren. Cox1 wird in vegetativen Zellen, Cox2 in Hetrocysten exprimiert. Coxs aus Nostoc sp. PCC 7120 bestehen aus drei Untereiheiten und katalysieren die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Sie fungieren als Protonenpumpen, wodurch ein elektrochemischer Gradient entsteht, welcher zur ATP-Synthese genutzt wird. Die CuA-Domäne befindet sich in der Untereinheit II. Sie fungiert als Eintrittsstelle der für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser notwendigen Elektronen. Gensegmente der beide Gene coxB1 und coxB 2, welche jeweils ein CuA-Zentrum enthalten, wurden in E. coli Zellen kloniert. Es konnten Proteinsegmente der Untereiheit II von Cox1 (SuIId2 Cox1) und von Cox2 (SuIIj3 Cox2) erfolgreich in E. coli exprimiert und chromatographisch gereinigt werden. Weiters wurden Verfahren, die zur teilweisen Besetzung des CuA-Zentrums mit Kupfer führten, entwickelt. Durchgeführte Elektronentrasferstudien zwischen SuIIj3 Cox2 und einem seiner potentiellen Elektronendonoren Cytochrom c6 zeigten, dass ein Elektronentranfer zwischen den beiden Molekülen stattfindet. Ebenso wurde Elektronenaustausch zwischen SuIIj3 Cox2 und Pferdeherz Cytochrom c beobachtet.Cyanobacteria are capable of photosynthesis and respiration. Nostoc sp. PCC 7120 is a filamentous cyanobacterium which can also fix molecular nitrogen. This process of nitrogen fixation takes place in specially differentiated cells, called heterocysts. They develop by cell differentiation when there is a shortage of bound nitrogen in the growth medium. The aim of this work was to characterise the structure and function of cyanobacterial cytochrome c oxidase (Cox) which is the terminal enzyme in respiratory electron transport. Nostoc sp. PCC 7120 possesses two genes, coxBAC1 and coxBAC2 which encode Cox1 and Cox2. Cox1 is expressed in vegetative cells and Cox2 in heterocysts. Cyanobacterial Coxs consist of three subunits and catalyse the reduction of oxygen to water. Additionally, they serve as proton pumps generating an electrochemical gradient which is used for ATP synthesis. The copper containing CuA-domain is located in subunit II. It functions as entry site of electrons which are necessary for the reduction of oxygen to water. The gene segments encoding for subunits II of coxB1 and coxB2 containing a CuA domain, respectively, were cloned into E. coli. The heterologous expression of the truncated subunits II of Cox1 (SuIId2 Cox1) and Cox2 (SuIIj3 Cox2) in E. coli has been performed sucessfully, as well as their chromatographic purification. Furthermore, methods were established to perform (partial) copper reconstitution of the domains. Electron transfer studies of SuIIj3 Cox2 were performed with one of its potential electron donors, cytochrome c6 (cyt c6) and with horse heart cytochrome c (hh cyt c). Electron transfer reactions between SuIIj3 Cox2 and cyt c6 as well as hh cyt c and SuIIj3 Cox2 could be shown.vorgelegt von Doris GusenbauerZsfassung in engl. SpracheWien, Univ. für Bodenkultur, Masterarb., 2008(VLID)108281