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Das Enzym Sulfandehydrogenase SoxCD ist ein wichtiger Bestandteil des Schwefeloxi- dationssystems des fakultativ lithotrophen Bakteriums Paracoccus pantotrophus. SoxCD katalysiert eine Oxidationsreaktion innerhalb des Thiosulfat-Reaktionszyklus, bei der sechs Elektronen übertragen werden. SoxCD ist ein α2β2-Heterotetramer und setzt sich zusammen aus dem molybdänbindenden Protein SoxC und dem hämbindenden Protein SoxD, das aus den beiden cytochromartigen Domänen D1 und D2 besteht. SoxCD1 ist eine enzymatisch voll aktive, verkürzte Version des Wildtyp-Proteins, bei der die D2-Domäne entfernt wurde. Die Kristallstruktur von SoxCD1 wurde mit einer Auflösung von 1.33 Å aufgeklärt. Im Gegensatz zu den bekannten homologen Sulfitoxidasen kann SoxCD kein freies Schwefelsubstrat umsetzen. Das Substrat von SoxCD ist SoxYZ-Cys110-Persulfid, das eine Zwischenstufe des Thiosulfat-Oxidationszyklus darstellt. Das c-terminale „swin- ging arm“-Peptid von SoxY, einem Protomer des Transportproteins SoxYZ, bindet das Substrat während dieses Zyklus. Die Kristallstruktur von SoxCD1 zeigt einen engen Sub- stratbindetrichter, der von der Proteinoberfläche zum Molybdäncofaktor verläuft und von der Aminosäureseitekette Arg98 von SoxD1 abgeschirmt wird. Aufgrund der vorliegenden Daten wird angenommen, dass die Blockierung des Substratbindetrichters von SoxD1- Arg98 durch Wechselwirkung mit dem C-Terminus von SoxY aufgehoben wird. Durch die Aufhebung der Blockierung entsteht eine Wechselwirkung der c-terminalen Sequenz VTIGGCGG von SoxY mit dem Substrattunnel in Richtung des Molybdäncofaktors, so dass das Cys110-Persulfid in optimaler Entfernung zu dem Molybdän platziert wird. Die anschließende Oxidation des Schwefelsubstrates wird durch einen nucleophilen Angriff des Persulfidanions an das Molybdän eingeleitet. Die Distanz zwischen Molybdäncofak- tor und Hämcofaktor erlaubt die Übertragung von Elektronen. Mit der Struktur von SoxCD1 sind alle Proteine des Thiosulfat-Oxidationszyklus strukturell charakterisiert. Aufgrund der Kristallqualität war für die erfolgreiche Phasierung der SoxCD1-Struktur die Verwendung einer hochbrillianten Synchrotron-Strahlenquelle zum Sammeln eines SAD-Datensatzes zwingende Voraussetzung (nach Zander et al., 2011).

Ziel der Arbeit war die Struktur-Funktionsanalyse zweier bakterieller Redox-Enzyme. Die Galaktitol-Dehydrogenase (GatDH) aus Rhodobacter sphaeroides ist in der Lage, enantioselektiv sowohl ein breites Spektrum an Polyolen zu oxidieren als auch umgekehrt Ketone zu reduzieren. Die Struktur von GatDH konnte, in Komplex mit dem Kofaktor, geklärt werden. Um bessere Einsicht in die Substratbindung zu bekommen, wurden weitere Strukturen mit im aktiven Zentrum gebundenen Substraten gelöst. Der vorgeschlagene Reaktionsweg der GatDH entspricht der für die meisten SDR-Enzyme postulierten Katalyse. GatDH bildet im Kristall und in Lösung stabile Tetramere, was durch Lichtstreuungs-Experimente verifiziert werden konnte. Die periplasmatische Thiol-Disulfid-Oxidoreduktase SoxS ist für den Schwefel-oxidierenden (Sox) Phänotyp des chemotrophen Bakteriums Paracoccus pantotrophus wichtig. Die Struktur von SoxS konnte in der oxidierten als auch in der reduzierten Form aufgeklärt werden. SoxS zeigt eine hohe strukturelle Homologie zu typischen cytoplasmatischen bakteriellen Thioredoxinen. Dagegen besitzt SoxS im aktiven Zentrum ein Sequenzmotiv, welches nicht in anderen Thioredoxinen vorkommt, aber eng verwandt mit den Sequenzen einiger Glutaredoxinen und DsbC-/DsbG-Mitgliedern ist. SoxS kombiniert in Struktur, Substratspezifität und Reaktionsweise Eigenschaften von Thioredoxinen, Glutaredoxinen und von Mitgliedern der Thiol-Disulfid-Oxidoreduktasen der Dsb-Familie. Aim of this work was the structural and functional characterization of two bacterial redox-enzymes. The galactitol-dehydrogenase (GatDH) of the purple bacterium Rhodobacter sphaeroides is able to oxidize a wide spectrum of polyols as well as the reduction of ketones. The structure of GatDH in presence of its cofactor could be determined. To gain deeper insight in the specificity of substrate binding further structures with bound substrates were solved. The proposed reaction pathway of GatDH corresponds to the catalysis postulated for most SDR enzymes. GatDH forms in the crystal as well as in solution stable tetramers as verified by light scattering experiments. The periplasmic thiol-disulfide oxidoreductase SoxS is beneficial for the sulphur oxidizing (Sox) phenotype of the chemotrophic bacterium Paracoccus pantotrophus. The structure of SoxS was solved in its oxidized and reduced form, respectively. SoxS reveals a high structural homology to typical cytoplasmic bacterial thioredoxins. By contrast, SoxS contains the active site motif Pro-Gly-Cys-Leu-Tyr-Cys, not present in other thioredoxins. Interestingly, the sequence of this motif is closely related to the sequence of some glutaredoxins and to the sequences of some members of the thiol-disulfide oxidoreductases DsbC and DsbG. SoxS combines features of thioredoxins, glutaredoxins and the thiol-disulfide oxidoreductases of the Dsb-family in structure, target specificity and reaction.