Biochemical, structural and functional characterization of diheme-containing succinate:quinone reductase (SQR) from Bacillus licheniformis

Succinate:quinone oxidoreductases (SQORs) are integral membrane protein complexes, which couple the two-electron oxidation of succinate to fumarate (succinate → fumarate + 2H+ + 2e-) to the two-electron reduction o
Succinate:quinone oxidoreductases (SQORs) are integral membrane protein complexes, which couple the two-electron oxidation of succinate to fumarate (succinate → fumarate + 2H+ + 2e-) to the two-electron reduction of quinone to quinol (quinone + 2H+ + 2e- → quinol) as well as catalyzing the opposite reaction, the reduction of fumarate by quinol. In mitochondria and some aerobic bacteria, succinate:ubiquinone reductase, also known as complex II of the aerobic respiratory chain or as succinate dehydrogenase from the tricarboxylic acid (TCA or Krebs) cycle, catalyzes the oxidation of succinate by ubiquinone, which is mildly exergonic under standart conditions and not directly associated with energy storage in the form of a transmembrane electrochemical proton potential (Δp). Gram-positive bacteria do not contain ubiquinone but rather menaquinone, a quinone with significantly lower oxidation-reduction (“redox”) midpoint potential. In these cases, the catalyzed oxidation of succinate by quinone is endergonic under standard conditions. Consequently, these bacteria face a thermodynamic problem in supporting the catalysis of this reaction in vivo. Based on experimental evidence obtained on whole cells and purified membranes, it had previously been proposed that the SQR from Gram-positive bacteria supports this reaction at the expense of the protonmotive force, Δp. Nonetheless, it has been argued that the observed Δp dependence is not associated specifically with the activity of SQR because the occurrence of artifacts in experiments with bacterial membranes and whole cells can not be fully excluded. Clearly, definitive insight into the mechanism of catalysis of this intriguing reaction required a corresponding functional characterization of an isolated, membranebound SQR from a Gram-positive bacterium. The first aim of the present work addresses the question if the general feasibility of the energetically uphill electron transfer from succinate to menaquinone is associated specifically to a single enzyme complex, the SQR. The prerequisite to achieve this goal was stable preparation of this enzyme.
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Die Succinat:Chinon-Oxidoreduktasen (SQOR) sind integrale Membranproteinkomplexe, die die Zwei-Elektronen-Oxidation von Succinat (Succinat → Fumarate + 2H+ + 2e-) zur Zwei- Elektronen-Reduktion von Chinon (Chinon +
Die Succinat:Chinon-Oxidoreduktasen (SQOR) sind integrale Membranproteinkomplexe, die die Zwei-Elektronen-Oxidation von Succinat (Succinat → Fumarate + 2H+ + 2e-) zur Zwei- Elektronen-Reduktion von Chinon (Chinon + 2H+ + 2e- → Chinol) koppeln, sowie die entgegengesetzte Reaktion, der Reduktion von Fumarat durch Hydrochinon, das auch als Chinol bezeichnet wird. In Mitochondrien und einigen Gram-negativen Bakterien katalysiert die Succinat:Ubichinon-Reduktase, auch bekannt als Succinat-Dehydrogenase des Zitronensäurezyklus und der Atmungskette, oder Komplex II, die leicht exergone Oxidation von Succinat mit Ubichinon. Diese Reaktion ist nicht an die Generierung eines transmembranen elektrochemischen Protonenpotenzial (Δp) gekoppelt. Gram-positiven Bakterien enthalten kein Ubichinon, sondern Menachinon, das ein wesentlich niedrigeres Oxidations-Reduktionspotential ("Redoxpotential") besitzt, wodurch die Oxidation von Succinat durch Menachinon unter Standardbedingungen ein endergoner Prozess ist. Die Gram-positive Bakterien sind offensichtlich mit einem thermodynamischen Problem konfrontiert, wie diese Reaktion in vivo voran getrieben werden kann. Basierend auf experimentellen Ergebnissen mit ganzen Zellen und gereinigten Zellmembranen schlugen Schirawski und Unden vor, dass die Succinat:Chinon-Reduktase (SQR) aus Gram-positiven Bakterien die Reaktion auf Kosten des Δp unterstützt. Schnorpfeil und Kollegen beobachteten später in Experimenten mit B. subtilis Zellen, die SQR enthielten, einen Aufbau eines elektrochemischen Potenzials, wenn das SQR-Enzym gezwungen wurde als Chinol:Fumarat-Reduktase (QFR) zu fungieren. Es wurde jedoch angezweifelt, ob die beobachtete Δp-Abhängigkeit spezifisch mit der Aktivität des SQR Enzyms assoziiert werden kann, da in Experimenten mit ganzen Zellen und bakteriellen Membranen das Auftreten von Artefakten nicht völlig ausgeschlossen werden kann. Definitive Einsichten in den Reaktionsmechanismus erforderten der funktionellen Charakterisierung eines isolierten und membrangebundenen SQR-Enzyms aus einem Gram-positiven Bakterium. Das vornehmliche Ziel der vorliegenden Arbeit adressierte die Frage, ob die zuvor erhaltenen experimentellen Ergebnisse tatsächlich spezifisch mit der Aktivität der SQR aus Grampositiven Bakterien assoziiert werden können. Die Grundvoraussetzung, um diese Zielsetzung zu erreichen, ist eine stabile Präparation des Enzyms.
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Metadaten
Author:M. Gregor Madej
URN:urn:nbn:de:hebis:30-92726
Referee:Bernd Ludwig
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/03/01
Year of first Publication:2010
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2010/06/23
Release Date:2011/03/01
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
Institutes:Biochemie und Chemie
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Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
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$Rev: 11761 $