Iron in Haem Biosynthesis. Structural Studies of Ferrochelatase and Frataxin

Abstract: Popular Abstract in Swedish Järn är ett metalliskt grundämne som tillhör övergångselementen i det periodiska systemet. Den kemiska beteckningen är Fe (av det latinska ordet ferrum). Järn har visat sig vara ett väldigt viktigt ämne för i princip allt liv på vår planet. Främst finns det bundet till olika proteiner i form av järnsvavelkluster och hem. Hem är en liten molekyl som finns i de allra flesta organismer, den tillhör en grupp molekyler som kallas för tetrapyrroler. Tetrapyrroler kallas ibland ?livets pigment?, eftersom de ofta är starkt färgade. Klorofyll är ett välkänt exempel. Tetrapyrrolerna är inblandade i viktiga biologiska processer såsom fotosyntes och andning. Hem finns bundet till en rad olika proteiner såsom hemoglobin, flera cytokromer, katalas och peroxidas. Mest känt är nog det hemoglobin som transporterar luftens syre från lungorna till alla kroppens vävnader. Det enzym som katalyserar det sista reaktionssteget i den biokemiska hemsyntesen heter ferrokelatas. Enzymet sätter in ett järn i mitten av protoporfyrin IX (en tetrapyrrol-ring). Hur denna reaktion katalyseras är inte helt klarlagt i alla detaljer, min forskning har fokuserat på just denna fråga och nu, efter snart fem år i projektet, kan ytterliggare en liten pusselbit läggas på plats. Ett annat protein, som jag har arbetat med är relaterat till ferrokelatas och kallas frataxin. Mycket tyder på att frataxin levererar järn till ferrokelatas. Frataxin finns i cellens mitokondrier och det har två huvuduppgifter, att leverera järn och att lagra järn i en ogiftig form som cellen senare kan använda. Frataxin har fått sitt namn efter en ganska ovanlig neurologisk sjukdom som kallas Friedreichs ataxi. Patienter som lider av Friedrichs ataxi har en defekt gen som gör att de inte kan producera tillräckligt med frataxin. Nikolaus Friedrich beskrev sjukdomen i slutet av 1800-talet som en nedbrytande nervsjukdom med störningar av koordinationsförmågan och nedsatt hjärtfunktion. Sjukdomen är ärftlig och symptomen visar sig nästan alltid i tidig ålder. Metod För att undersöka den tredimensionella strukturen hos ferrokelatas och frataxin på en atomär nivå har jag använt röntgenkristallografi. För att röntgenkristallografin ska lyckas måste man se till att proteinmolekylerna är packade på ett regelbundet sätt. Det gör man genom att kristallisera proteinet. Proteinkristallen exponeras sedan för röntgenstrålning med en våglängd på ungefär en tiondels nanometer. Strålen sprids, diffrakteras i vissa riktningar och detekteras, numera oftast med en CCD-detektor (Charge Coupled Device). Detektorn producerar diffraktionsmönster, som omvandlas till siffror. Med datorns hjälp kan så småningom en proteinstruktur lösas och visualiseras i bild. Min forskning Ferrokelatas är ett protein som finns i de flesta organismer. Jag har arbetat med ferrokelatas från både jäst och från bakterien B. subtilis. Vår strukturbestämning av ferrokelatas från jäst visar både likheter och olikheter med de två andra ferrokelatasstrukturer som finns: från B. subtilis och från människa. I likhet med det mänskliga proteinet bildar jästferrokelatas en funktionell dimer, till skillnad från B. subtilis som har en monomerisk struktur. För att studera metallbindningen tillsatte vi metalljoner av olika slag till proteinkristaller av ferrokelatas från jäst och från bakterien B. subtilis. Därefter kunde vi med röntgenkristallografi bestämma om och var metallen sätter sig på proteinet. På så sätt kunde bindningssätet för metallen bestämmas. En annan viktig aspekt i den enzymatiska metalleringen av protoporfyrin IX är hur tetrapyrrolen binder till ferrokelatas. Vi har strukturbestämt B. subtilis ferrokelatas med två porfyrininhibitorer som binder till enzymet på olika sätt. En inhibitor är en molekyl som blockerar ett enzyms katalytiska funktion. I allmänhet går detta till så att inhibitorn binder till enzymet på ett sådant sätt att dess aktivitet helt eller delvis försvinner. Vi lyckades strukturbestämma den trimeriska formen av frataxin från jäst. Det visade sig att den har en karakteristisk propellerform som tidigare observerats i ferritiner. Ferritiner är stora järnlagringsmolekyler som tar hand om överflödigt järn. Med hjälp av elektron-mikroskopi (EM) på större frataxinpartiklar kunde en 24merisk frataxinvariant strukturbestämmas. Åtta trimerer kunde dockas in i EM-modellen. Tillsammans ger de båda oligomer-formerna en inblick i hur frataxin kan fungera både som leverantör av och lagringsdepå för järn.