Open Access

Ajeeta Nyola

• In mitochondrial respiration, the soluble protein cytochrome c accepts an electron from the membrane bound cytochrome bc1. The interaction between cytochrome bc1 and cytochrome c is highly transient in nature, enabling turnover numbers greater than 160 s-1. Yeast cytochrome bc1 has been successfully crystallised with bound cytochrome c with the help of an antibody fragment (Lange and Hunte 2002; Solmaz and Hunte 2008). In all crystal structures of the complex, the homodimeric cytochrome bc1 binds only one cytochrome c, with the binding site located on subunit cytochrome c1. Univalent cytochrome c binding is correlated with conformational changes of the Rieske protein head domain and subunit QCR6p. The interface of the complex is small. The haem moieties are centrally located in a mainly non-polar contact site that includes a cation–! interaction and is surrounded by complementary charged residues. The crystal structure is in agreement with the general architecture of the interfaces of transient redox complexes and also reveals several interesting features unique to the cytochrome bc1. On the basis of the crystal structures, an extensive thermodynamic and kinetic characterisation of the interaction was carried out in this work to challenge the static snapshot of the bound proteins in the crystal structure as the relevant physiological electron transfer. The thermodynamic parameters of the interaction between the redox partners were determined using isothermal titration calorimetry (ITC). The association constant for cytochrome bc1 and cytochrome c in oxidised state under physiological ionic strength of 120 mM at 25 °C, was determined to be 5 " 103 M-1 by direct ITC titration. So, the partners interact with an affinity of 200 #M. In spite of the low affinity the complex has a life time ($ = 1/koff) of 5 #second, sufficiently long to enable the theoretically calculated electron transfer rates of 1.0 " 106 to 2.6 " 107 s%1 with a lifetime ($ = 1/rate) of 1-0.04 μseconds and experimentally determined rate of 7.7 " 104 s%1 with a lifetime of 13 μseconds. The low affinity makes it difficult to ascertain the stoichiometry of binding. The enthalpy of the interaction is endothermic, which is consistent with the nature of an interface where hydrophobic interactions are dominant. The enthalpy and entropy is 3.6 kJmol-1 and 83 kJmol-1K-1, respectively. The importance of key interface residues was also investigated. The role of the interface residue G89 of cytochrome c which might have a role in the dissociation of the complex has been probed by site-directed mutagenesis. The interface contains a cation-! interaction between F230 of cytochrome bc1 and R19 of cytochrome c, which is thought to provide the specificity to the interaction between the otherwise promiscuous partners. To analyse the role of this interaction pair in electron transfer, F230L and F230W mutants were used to measure direct electron transfer rates by flash photolysis and steady state kinetics. The findings indicate that another ! system can work as functional substitution of F230, while deleting the ! system has a deleterious effect on the complex formation. The inability of F230L to achieve the transient and steady state turnover rates as wild type protein indicates a scenario where the variant achieves an altered bound state with inefficient electron transfer pathways and higher edge-to-edge distance. The role of supernumerary subunit QCR6p in complex formation was investigated by steady state kinetics measurements. Subunit QCR6p does not interact directly with cytochrome c but is positioned in such a way that it could electrostatically steer cytochrome c in a reactive ensemble. The highly acidic and disordered N-terminus of QCR6p could interact with a patch of conserved lysine residues on cytochrome c. The role of subunit QCR6p has been assessed using QCR6p deleted cytochrome bc1 and a lysine variant of cytochrome c. The results show that QCR6p not only affects the kinetics of the interaction but is also important for the stability of cytochrome bc1. The kinetic and thermodynamic data obtained during this study provide evidence for the functional importance of non-catalytic cytochrome bc1 subunit QCR6p, show that the entropy driven interaction is indeed of low affinity and highly transient in nature and indicate that the interface is well suited to ensure the high turnover of the electron transfer chain where cytochrome c interacts with multiple partners using overlapping interfaces. The suggested role of the cation-! interaction as a highly specific interaction has been validated.
• Bei der mitochondrialen Atmung werden Elektronen über vier Enzyme der Atmungskette (Komplexe I bis IV) durch mobile Elektronencarrier, lipidlösliche Ubiquinone und wasserlösliches Cytochrom c geführt. Cytochrom c transferiert ein Elektron von Komplex III (Ubiquinol:Cytochrom c Oxidoreduktase, Cytochrom bc1) zu Komplex IV und interagiert dabei mit diesen Komplexen in verschiedenen Oxidationszuständen. Um hohe Umsatzraten zu gewährleisten, sind die Interaktionen sehr transient. Cytochrom bc1 aus Hefe wurde mit gebundenem Cytochrom c unter Zuhilfenahme eines Antikörper-Fragments erfolgreich kristallisiert (Lange und Hunte 2002; Solmaz und Hunte 2008). Die Röntgenstruktur zeigt eine Interaktionsfläche, welche kleiner ist als eine durchschnittliche Protein-Protein Kontaktfläche. Die Häm-Kofaktoren sind zentral lokalisiert in einer hauptsächlich nichtpolaren Kontaktstelle, in der sich eine Kation-!-Interaktion befindet und die von komplementär geladenen Resten umgeben ist. Die Interaktionsfläche ist zu 70% nichtpolar, dennoch ist sie weitestgehend hydratisiert. Nur eine Cytochrom-c1-Bindestelle des dimeren Komplexes ist mit Cytochrom c belegt. Die univalente Cytochrom-Bindung geht mit Konformationsänderungen der Rieske-Kopfdomäne und der Untereinheit QCR6p einher. Ein Vergleich mit der Struktur des Komplexes mit gebundenem Isoform-2 Cytochrom c führten zur Definition des „core-interface“, das vier Interaktionspaare einschließlich der Kation-!-Interaktion umfasst. Es wird angenommen, dass das coreinterface ein Charakteristikum zur Erlangung der Spezifität des gebundenen Zustands darstellt (Solmaz und Hunte 2008). Für den Cytochrom bc1:Cytochrom c Elektrontransferkomplex weist die Kristallstruktur auf einen definierten gebundenen Zustand hin, welcher sich gut mit dem nötigen Gleichgewicht aus Spezifität und Geschwindigkeit vereinbaren lässt. Dennoch gibt es nur wenige Studien, welche die statische Momentaufnahme der gebundenen Proteine in der Kristallstruktur als den relevanten physiologischen Elektrontransferkomplex hinterfragen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit diesem Thema. Dabei wurden vor allem i) Interaktionsparameter wie Assoziationskonstante, Enthalpie und Entropie mittels isothermaler Titrations-Kalorimetrie (isothermal titration calorimetry, ITC) bestimmt, ii) der Effekt der Mobilität der extrinsischen Kopfdomäne des Rieske Proteins und der sauren Untereinheit QCR6p auf die Komplexbildung mittels ITC bzw. steady-state-Kinetik untersucht und iii) die Rolle der Kation-!-Interaktion und anderer signifikanter Interaktionsflächen-Reste für den Komplex durch steady-state und transiente kinetische Messungen charakterisiert. Da die biophysikalische Messungen die Produktion von großen Mengen an Protein erfordern, wurde das existierende zweistufige Ionenaustauscher Protokoll für die Reinigung von Cytochrom bc1 (Palsdottir 2003) weiter optimiert, um die Proteinausbeute zu verbessern. Das Verhältnis von Volumen des ersten Ionenaustauschermaterials zu dem der submitochondrialen Partikel wurde variiert und ein Verhältnis von fünf als Optimum ermittelt. Ein zusätzlicher Zentrifugationsschritt vor Auftrag des Proteins auf die zweite Ionenaustauschersäule wurde eingefügt. Das optimierte Protokoll ergab etwa 1 mg reines Protein pro mL submitochondrialer Partikel im Vergleich zu einer Ausbeute von 0,4-0,6 mg/mL mit dem vorherigen Reinigungsprotokoll. Das nach dem modifizierten Protokoll gereinigte Cytochrom bc1 hatte eine maximale Umsatzrate von 160 s-1, gegenüber der zuvor berichteten Umsatzrate von 50-100 s-1 (Palsdottir 2003). Um die Interaktionsparameter in Lösung zu bestimmen, wurde ITC angewandt. Bei ITC Titrationen wurde Cytochrom bc1 mit Cytochrom c durch Zugabe von konstanten Volumina an Cytochrom c bis zur Sättigung titriert. Jede Zugabe führte zu einer Hitzeänderung, welche dem kumulative Effekt aus Komplexbildung und Verdünnung der konzentrierten Cytochrom c Lösung entspricht. Die beobachtete Hitzeänderung wurde schrittweise an die Interaktionsparameter angeglichen. Da transiente Komplexe niedrige Affinitäten haben, welche während der Titration nur schwache Signale geben, wurde mit hohen Proteinkonzentrationen gearbeitet; als minimale Konzentration für Cytochrom c wurden 2,5 mM eingesetzt und für das Cytochrom bc1 Dimer ~20 "M. Es kann auch jede Redoxreaktion zwischen den Interaktionspartnern zu großen Hitzeänderungen führen, was potentiell die eigentliche Bindungshitze verdecken kann. Aus diesem Grund wurden alle Bindungsexperimente im oxidierenden Zustand durchgeführt, aufrechterhalten durch die Anwesenheit von Oxidationsmitteln in der Proteinlösung. Die Bindung von Cytochrom c an dimeres Cytochrom bc1 kann univalent oder divalent sein. Die aufgeführten Werte beziehen sich auf die univalente Bindung. In direkten ITC Titrationen lag die Assoziationskonstante für Cytochrom bc1 und Cytochrom c im oxidierten Zustand bei physiologischer Ionenstärke von 120 mM im Puffer mit der Zusammensetzung 40 mM KPi, 24 mM NaCl, 200 "M K3[Fe(CN)6], 0,05% UM bei 25 ºC bei 5 x 103 M-1. Damit interagieren die Partner mit einer Affinität von 200 "M. Assoziationskonstanten wurden sowohl für Cytochrom c aus Hefe als auch aus Pferd bestimmt und sind sehr ähnlich. Die Modellierung der Bindungsisotherme mit entweder univalentem oder divalentem Bindungsmodus ergab ähnliche Interaktionsparameter. Die niedrige Affinität des Komplexes hat schlüssige Studien im Hinblick auf die Stöchiometrie der Interaktion in Lösung verhindert. Die experimentell ermittelte Assoziationskonstante stimmt mit der theoretisch berechneten überein. Die Kristallstruktur von Cytochrom bc1:Cytochrom c weist keine Konformationsänderungen der Proteinoberfläche oder signifikante Desolvatisierung der Interaktionsfläche als Konsequenz der Komplexbildung auf, was auf ein Fehlen von Konformations-Energie-Barrieren hindeutet. Darüber hinaus hat das Interaktionspaar komplementäre polare Reste, semi-zirkulär an der Peripherie der Kontaktfläche angeordnet. Solch eine Anordnung ist ideal für eine Steuerung der Komplexbildung durch elektrostatische Bindungen. Daher kann für den Cytochrom bc1:Cytochrom c Komplex mit Sicherheit angenommen werden, dass die Assoziationsrate (kon) nahe 109 M-1 s-1 liegt. Ein ähnlicher kon wurde für das Interaktionspaar von Rhodobacter capsulatus bestehend aus Cytochrom bc1 Komplex und Cytochrom c2 berechnet (Sarewicz, Borek 2008). Für die diffusionskontrollierte Assoziation mit kon von 109 M-1s-1 können die Dissoziationsrate (koff) und mittlere Lebensdauer (# = 1/koff) des gebundenen Zustands berechnet werden: 2 x 105 s-1 bzw. 5 "s. Die berechneten Elektronentransferraten liegen bei 1,0 x 106 bis 2,6 x 107 s-1 mit einer Lebensdauer (# = 1/Rate) von 1-0,04 "s (Nyola und Hunte 2008). Die experimentell bestimmte Rate beträgt 7,7 x 104 s-1 mit einer Lebensdauer von 13 "s. Eine ähnliche Lebensdauer wurde für den Rhodobacter capsulatus Komplex gemessen mit einer Lebensdauer im Bereich von "s bei niedriger Ionenstärke von 40 mM, welcher auf Werte im sub-"s abfiel bei physiologischer Ionenstärke von 120 mM. Die Enthalpie und die Entropie der Interaktion von Cytochrom bc1 und Cytochrom c beträgt 3,6 kJmol-1 bzw. 83 kJmol-1K-1. Die Änderung der endothermen Enthalpie bedeutet, dass die Komplexbildung Entropie getrieben ist. Der Anstieg der Entropie kann potentiell durch den Ausschluss von Wassermolekülen aus der Kontaktfläche bei Komplexbildung erreicht werden; die Komplex-Interaktionsfläche ist etwa zu 70% nichtpolar. Um den Effekt der Mobilität der extrinsischen Rieske Domäne auf die Komplexformation zu untersuchen, wurden Bindungstitrationen mit und ohne Stigmatellin-inhibiertem Cytochrom bc1 durchgeführt. Stigmatellin fixiert das Rieske Protein entfernt vom Cytochrom c1. Die gemessene Assoziationskonstante für beide Situationen sind ähnlich (3 x 103 M-1). Diese Beobachtung unterstützt die Hypothese, dass die Kristallstruktur, die im Stigmatellingebundenem Zustand vorliegt, den physiologischen Elektronentransferkomplex abbildet. Es wurden ähnliche Versuche für eine biophysikalische Charakterisierung von Cytochrom bc1 mit Isoform-2 Cytochrom c durchgeführt. Zuvor lag kein etabliertes Protokoll für die Isolierung präparativer Mengen von Isoform-2 Cytochrom c vor. Daher wurde das Protokoll zur heterologen Produktion von Hefe Isoform-1 Cytochrom c in Escherichia coli modifiziert (Pollock, Rosell 1998). Die Menge an rekombinant produziertem Isoform-2 Cytochrom c war vergleichbar der Menge an Isoform-1 Cytochrom c. Die Messungen ergaben, dass Isoform-2 veränderte steady-state-Kinetiken besaß. Die maximale Umsatzrate und der KM für die Reduktion von Isoform-2 Cytochrom c durch Cytochrom bc1 beträgt 126 s-1 bzw. 4 "M, die Werte für die Isoform-1 liegen bei 160 s-1 und 1,2 "M. Die langsamere Kinetik kann ein Resultat einer höheren Assoziationskonstante sein. Isoform-2 Cytochrom c hat eine stärkere elektrostatische Komponente in der direkten Wechselwirkung verglichen zu Isoform-1, was den koff erniedrigen könnte. Eine quantitative Bestimmung der Assoziationskonstante schlug fehl, da viel Wärme bei der Verdünnung der konzentrierten Lösung von Isoform-2 Cytochrom c während der ITC Titrationen entstand. Varianten des Cytochrom-c-Interaktionsflächenrestes G89, der vermutlich für die Redoxabhängige Interaktion der Partnerproteine von Bedeutung ist (Solmaz et al, unveröffentlicht), wurden durch steady state-Kinetiken analysiert. Für G89 wurden die Varianten G89P, G89A und G89L getestet. Die G89P Variante hat den gleichen KM (1,1 "M) wie der Wildtyp (1,2 "M). Für Varianten G89A und G89L liegt der KM bei 2,1 und 2,3 "M. Der KM erhöht sich sukzessiv mit der Größe der Seitenkette, wobei keine entsprechende Änderung bei der maximalen Umsatzrate zu beobachten war, die für alle Varianten bei 160 s-1 lag. Weiterhin wurde die Rolle der Kation-!-Interaktion durch ortsspezifische Mutagenese untersucht. In der Cytochrom bc1:Cytochrom c Komplex Interaktionsfläche, interagiert F230 von Cytochrom c1 mit R19 von Cytochrom c über eine Kation-!-Interaktion (Lange und Hunte 2002; Solmaz und Hunte 2008). Bei diesem Typ von Interaktion ist die Seitenkette des geladenen Restes parallel zur aromatischen Ebene des anderen Restes ausgerichtet (Biot, Buisine 2002). Diese geometrische Anordnung, gekoppelt an die spezifische Lokalisierung der Reste begrenzt die Orientierung der interagierenden Moleküle im gebundenen Zustand. Aus diesem Grund kann die Kation-!-Interaktion als ein wichtiger Faktor zur Spezifität der ansonsten variablen Interaktionen angesehen werden. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurden F230W und F230L Varianten von Cytochrom c1 untersucht. Die maximalen Umsatzraten von F230W und F230L lagen bei 160 bzw. 140 s-1. Bei einer Ionenstärke von 150 mM haben alle Varianten ähnliche direkte Elektronentransferraten von etwa 5000 s-1. Bei niedriger Ionenstärke betragen die Raten 77.000, 60.000 und 32.000 s-1 für Wildtyp bzw. für F230W und F230L des Cytochrom bc1 Komplex. Die steady state und transienten kinetischen Daten demonstrieren die Möglichkeit, dass ein anderes !-System als funktionelle Substitution dienen kann, während die Deletion des !-Systems einen schädlichen Effekt auf den Komplex hat. Die langsameren Kinetiken der F230L Variante könnte ein Szenario bedeuten, in dem die Variante einen veränderten gebundenen Zustand mit ineffizienter Elektronen-Weiterleitung und erhöhter edge-to-edge Distanz der Kofaktoren besitzt. Ähnliche Beobachtung wurden gemacht für den Reaktionszentrum:Cytochrom c2 Komplex, bei dem Substitution des !- Donor Tyrosins durch Alanin zu einer dreifachen Erniedrigung der Assoziationskonstante führte, während im Vergleich die Abnahme von 1,2 unbedeutend für die Substitution mit Phenylalanin war (Paddock, Weber 2005). Mit der Kristallstruktur wurden Konformationsänderungen für die Untereinheit QCR6p beschrieben. QCR6p könnte bei der Cytochrom c-Bindung eine Rolle spielen (Kim und King 1983). Der N-Terminus von Untereinheit QCR6p enthält zu 79% negativ geladene Reste. In Röntgenstrukturen von mitochondrialen Cytochrom bc1 Komplexen konnte ein 40 Reste umfassendes saures Fragment am N-Terminus nicht lokalisiert werden, was auf hohe Flexibilität und Mobilität hindeutet (Hunte, Koepke 2000). In dem Hefe Cytochrom bc1:Cytochrom c Komplex ist der erste sichtbare Rest des N-Terminus von Untereinheit QCR6p nahe der hoch konservierten Lysinreste von Cytochrom c lokalisiert. QCR6p deletiertes Cytochrom bc1 (Cytochrom bc1$QCR6p) konnte durch eine zwei-stufige Ionenauschausch-Chromatographie mit hoher Reinheit gewonnen werden, jedoch erwies sich der gereinigte Komplex als instabil. Aus diesem Grund wurde die kinetische Charakterisierung mit partiell solubilisierten submitochondrialen Partikeln durchgeführt. Obwohl kein großer Unterschied für die KM Parameter festgestellt wurde, die bei 2,0 "M für Wildtyp Cytochrom bc1 und 1,4 "M für Cytochrom bc1$QCR6p lagen, zeigten die Umsatzraten wesentliche Unterschiede. Submitochondriale Partikel vom Wildtyp-komplex besaßen eine maximale Umsatzrate von 140 s-1 während die der submitochondrialen Partikel von Cytochrom bc1$QRC6p bei 83 s-1 lagen. Der Verlust von QCR6p könnte zu langsameren kon Raten führen und damit auch zu einem dynamischen Zustand, was den bevorzugten Elektronentransferweg weniger zugänglich macht. Diese Beobachtungen wurden weiterhin fundiert durch steady state kinetischen Analysen einer Cytochrom c Variante mit K92M, K93M und K95M. Die Lysin-Reste wurden durch Methionine substituiert, um die Ladung aufzuheben. Die steady state kinetischen Messungen mit der Variante zeigten eine beinahe dreifache Erhöhung im KM und 12% Abnahme der maximalen Umsatzraten. Der KM für die Variante lag bei 6,2 "M, im Vergleich dazu lag er bei 2,0 "M beim Wildtyp Cytochrom c. Die maximalen Umsatzraten zeigen eine Abnahme von 160 s-1 (Wildtyp Cytochrom c) auf 140 s-1 (K92M, K93M, K95M Variante). Die im Rahmen dieser Studie erhaltenen kinetischen und thermodynamischen Daten sind für das Verständnis der Spezifität und transienten Natur der Interaktion von Bedeutung. Die Dissoziationskonstante beträgt 200 "M und zeigt die höchst transiente Natur der Interaktion. Punktmutationen der Interaktionsflächen-Reste zeigten keine großen Änderungen bei der steady state oder transienten kinetischen Interaktion, was auf die Abwesenheit einer modulären Architektur der Interaktionsfläche oder der Existenz eines Interaktions-Hotspots deutet. Die Kation-!-Interaktion konnte als höchst spezifische Interaktion nachgewiesen werden. Eine mögliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität des Komplexes wurde für die Untereinheit QCR6p nachgewiesen und zudem eine Funktion bei der Cytochrom c-Bindung an Cytochrom c1 ermittelt.