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High-resolution structure and dynamics of mitochondrial complex I - insights into the proton pumping mechanism

  • Mitochondrial NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) is a 1-MDa membrane protein complex with a central role in energy metabolism. Redox-driven proton translocation by complex I contributes substantially to the proton motive force that drives ATP synthase. Several structures of complex I from bacteria and mitochondria have been determined, but its catalytic mechanism has remained controversial. We here present the cryo-EM structure of complex I from Yarrowia lipolytica at 2.1-Å resolution, which reveals the positions of more than 1600 protein-bound water molecules, of which ~100 are located in putative proton translocation pathways. Another structure of the same complex under steady-state activity conditions at 3.4-Å resolution indicates conformational transitions that we associate with proton injection into the central hydrophilic axis. By combining high-resolution structural data with site-directed mutagenesis and large-scale molecular dynamic simulations, we define details of the proton translocation pathways and offer insights into the redox-coupled proton pumping mechanism of complex I.

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Verfasserangaben:Kristian Kurt PareyORCiDGND, Jonathan LashamORCiD, Deryck J. MillsORCiD, Amina DjurabekovaORCiD, Outi HaapanenORCiD, Etienne Galemou YogaGND, Hao XieORCiDGND, Werner KühlbrandtORCiDGND, Vivek SharmaORCiD, Janet VonckORCiD, Volker ZickermannORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-734157
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.abj3221
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Science Advances
Dokumentart:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Veröffentlichung (online):12.11.2021
Datum der Erstveröffentlichung:12.11.2021
Veröffentlichende Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Datum der Freischaltung:28.04.2023
Jahrgang:7.2021
Ausgabe / Heft:46, eabj3221
Seitenzahl:13
Erste Seite:1
Letzte Seite:12
HeBIS-PPN:508980011
Institute:Biochemie, Chemie und Pharmazie
Medizin
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Lizenz (Englisch):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell 4.0