Open Access

Michaela Ritter

• Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der elektrochemischen und spektroskopischen Eigenschaften der bc1-Komplexe aus dem Bodenbakterium Paracoccus denitrificans und der Hefe Saccharomyces cerevisiae im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Das redoxaktive Protein ist Bestandteil der Atmungskette und trägt entscheidend zum Aufbau eines Protonengradienten bei, der zur Bildung des universellen Energieträgers ATP genutzt wird. Der bakterielle P. denitrificans-Komplex besteht aus den drei katalytischen Untereinheiten Cytochrom b, Cytochrom c1 und Rieske-Protein. Der mitochondriale Hefe-bc1-Komplex besitzt neben diesen drei noch acht weitere Untereinheiten, die anscheinend für die Stabilität des Enzyms bedeutsam sind. Um Konformationsänderungen des Proteins infolge von Elektronen- und daran gekoppelten Protonentransferreaktionen zu dokumentieren, wurde der Komplex elektrochemisch in definierte Redoxzustände versetzt. Aus den in diesen Zuständen aufgenommenen Absorptionsspektren berechnen sich Differenzspektren, deren Banden auf die Redoxreaktion zurückzuführende Veränderungen im Protein widerspiegeln. Durch Vergleiche mit Modellspektren isolierter Proteinbestandteile, Spektren ähnlicher Proteine und Informationen aus Kristallstrukturen konnten Beiträge der verschiedenen Kofaktoren, des Proteinrückgrates und einzelner Aminosäuren zu diesen Banden zugeordnet werden. Die elektrochemisch induzierten FTIR-Differenzspektren des P. denitrificans-bc1-Komplexes zeigten vor allem Beiträge der im Komplex gebundenen Chinone, die durch den Vergleich mit Differenzspektren isolierter Chinone identifiziert werden konnten. Ein wichtiges Ergebnis war die Abschätzung der Chinonkonzentration im Protein anhand einer charakteristische Bande bei 1262 cm-1 resultierend aus Schwingungen der Chinon-Methoxygruppen. Das Ergebnis von durchschnittlich 3 Molekülen Chinon pro Protein-Monomer unterstützt das zur Zeit für die Qo-Bindestelle diskutierte double-occupancy-Modell. Interessanterweise konnte die Protonierung einer Glu/Asp-Aminosäureseitenkette in Abhängigkeit vom Chinongehalt beobachtet und daraus abgeleitet Signale eines an der Qo-Bindestelle gebundenen Chinons differenziert werden. Die Beiträge der Cytochrom b und c-Untereinheiten relativ zum Gesamtspektrum des P. denitrificans-bc1-Komplexes wurden mittels Differenzspektren der einzelnen Kofaktoren unterschieden. Anhand ihrer Mittelpunktpotentiale, die zuvor durch Potentialtitrationen im sichtbaren Spektralbereich bestimmt wurden (Häm bL: Em7=-292 mV vs. Ag/AgCl, Häm bH: -144 mV, Häm c1: 89 mV), konnten die Differenzsignale des jeweiligen Kofaktors und seiner durch die Redoxreaktion beeinflußten Umgebung durch Wahl geeigneter Potentialschritte separiert werden. Die Zuordnungen der Signale des Cytochrom c1 und des Rieske-Proteins, die spektroskopisch nicht getrennt werden können, wurden durch Messungen an wasserlöslichen Fragmenten dieser Untereinheiten abgesichert. In allen Spektren konnten typische Beiträge des Proteingrundgerüstes, Schwingungen der Häme und ihrer Substituenten sowie einzelner Aminosäuren vorläufig zugeordnet werden. Die Bindung von Inhibitoren führte zu deutlichen Veränderungen im FTIR-Differenzspektrum. Der Qi-Inhibitor Antimycin A zeigt eigene Differenzsignale im Bereich oberhalb 1734 cm-1, an denen die Bindung des Inhibitors im Protein nachvollzogen werden konnte. Sie führte zur Abnahme der Signalintensität einer Bande, die die Beeinflussung eines protonierten Hämpropionates oder Arginin-bzw. Asparaginseitenketten vermuten lassen. Die Bindung des Qo-Inhibitors Stigmatellin, der selbst redoxaktiv ist, äußerte sich in Veränderungen im Amid I-Bereich des Differenzspektrums. Die Deprotonierung einer Glu/Asp-Seitenkette infolge der Stigmatellinbindung wurde diskutiert. Die FTIR-Differenzspektren des S. cervisiae-bc1-Komplexes gleichen denen des bakteriellen Komplexes in Bezug auf die Bandenpositionen weitestgehend. Die Signalintensitäten sowie die Größenverhältnisse der Banden zueinander unterscheiden sich jedoch. Dies wird durch den geringeren Chinongehalt des Hefeproteins nach der Präparation bedingt. Der Einfluß fünf verschiedener Inhibitoren der Qi- und Qo-Bindestelle auf die Differenzspektren wurde untersucht. Dabei standen von zwei Substanzen isotopenmarkierte Varianten zur Verfügung, die tieferen Einblick in die genaue Wechselwirkung bei der Inhibitorbindung bringen sollte. Die Bindung der Inhibitoren führte zu Veränderungen in den Spektren. Sie wurden vor dem Hintergrund der Kristallstruktur betrachtet, die aufgrund ihrer Auflösung keine exakten Aussagen über den Protonierungszustand einzelner Proteinbestandteile liefern kann. Der Schwerpunkt der Studien lag auf den Vergleich der Qo- Inhibitoren Stigmatellin und HHDBT. Die Bindung von Stigmatellin führte wie im P. denitrificans-Komplex zur Deprotonierung einer Glu/Asp-Seitenkette. Die Inhibierung mit HHDBT resultierte in der Protonierung vermutlich der gleichen Glu/Asp-Seitenkette. Die Auswirkungen des unterschiedlichen Protonierungszustandes der Aminosäure in Anwesenheit dieser beiden Inhibitoren wurde im Kontext eines vermuteten Chinoloxidations-Mechanismus beleuchtet.