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In times of global warming caused by the extensive use of fossil fuels, the need to capture gaseous carbon compounds is growing bigger. Several groups of microorganisms can fix the greenhouse gas CO2. Out of these, acetogenic bacteria are role models in their ability to reduce CO2 with hydrogen to acetate, which makes acetogens prime candidates for genetic modification towards biotechnological production of value-added compounds from CO2, such as biofuels. However, growth of acetogens on gaseous substrates is strongly energy-limited, and successful metabolic engineering requires a detailed knowledge of the bioenergetics. In 1939, Clostridium aceticum was the first acetogen to be described. A recent genomic study revealed that this organism contains cytochromes and therefore may use a proton gradient in its respiratory chain. We have followed up these studies and will present data that C. aceticum does not use a H+ but a Na+ gradient for ATP synthesis, established by a Na+-Rnf. Experimental data and in silico analyses enabled us to propose the biochemistry and bioenergetics of acetogenesis from H2 + CO2 in C. aceticum.
Electron microscopy (EM) demarcates itself from other structural biology techniques by its applicability to a large range of biological objects that spans from whole cells to individual macromolecules. In single-particle cryo-EM, frozen-hydrated samples, prepared by vitrification with liquid ethane, retain macromolecules in a medium that approximates their natural aqueous environment and that, in this way, preserves high-resolution structural information. Nonetheless, the sensitivity of biological specimens to the high-energy electron beam introduces restrictions on the total dose that can be used during imaging while avoiding significant radiation damage. Consequently, the signal-to-noise ratio attained in each individual image is very low, and structures with high-resolution detail must be recovered by averaging thousands of projections in random orientations. This is achieved through the use of image processing algorithms capable of aligning and classifying particle images through the evaluation of cross-correlation functions between each particle and a reference.
In recent years, several innovations took place in the field of single-particle cryo-EM, among which the development of direct electron detectors must be highlighted. Direct electron detectors have a better detective quantum efficiency (DQE) than both photographic film and CCD cameras, and offer a fast readout, compatible with the acquisition of movie stacks. Additionally, new image processing software has become available, with more sophisticated algorithms and designed to take advantage of the specific characteristics of the movies produced with direct electron detectors. These technological advances in both hardware and software catalyzed a revolution in single-particle cryo-EM, which is now routinely used for the determination of near-atomic structures. As a result, the range of macromolecules accessible to cryo-EM has increased drastically, as targets that were unsuitable before for imaging due to their small dimensions can now be adequately visualized and refined to high-resolution.
During my doctoral work, I have used single-particle cryo-EM to structurally characterize challenging membrane proteins, with a strong emphasis on protein complexes from aerobic respiratory chains. In chapter I of this thesis, I present my results on the bovine respirasome, a mitochondrial supercomplex composed of complexes I, III and IV. Chapter II is dedicated to the analysis of the structure of alternative complex III (ACIII) from Rhodothermus marinus, a bacterial quinol:cytochrome c/HiPIP oxidoreductase unrelated to the canonical cytochrome bc1 complex (complex III). In addition, in chapter III I describe the structure of KimA, a high-affinity potassium transporter that drives the transport of its substrate by using the energy stored in the form of a proton gradient. These three membrane proteins, with molecular weights ranging from 140 kDa to 1.7 MDa, illustrate the possibilities and limitations faced in single-particle cryo-EM.
The aerobic respiratory chain is responsible for the generation of a transmembrane difference of electrochemical potential that is then used by ATP synthase for the production of ATP or for driving solute transport over the membrane. They catalyze the transfer of electrons from a substrate, such as NADH or succinate, to molecular oxygen and use the chemical energy released in these redox reactions to drive the translocation of protons, or in some cases sodium ions, to the intermembrane space in mitochondria or the periplasm in bacteria.
In mitochondria, the respiratory chain is composed of four complexes: complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), complex II (succinate dehydrogenase), complex III (cytochrome bc1 complex) and complex IV (cytochrome c oxidase). While it was for a long time believed that these complexes existed as single entities in the membrane, the use of milder procedures for protein purification and analysis revealed that respiratory complexes associate into well-ordered structures, known as supercomplexes. These have been proposed to offer different structural and functional advantages that are still controversial, including substrate channeling, stabilization of individual complexes and reduction of reactive oxygen species (ROS) production. The most thoroughly studied respiratory supercomplex has been the respirasome, conserved in higher eukaryotes and composed of one copy of complex I, a complex III dimer and one complex IV. By single-particle cryo-EM analysis, I retrieved a 9 Å map of the respirasome from Bos taurus, which allowed the accurate docking of atomic models of the three component complexes. The structure shows that complex III associates to the concave side of the membrane arm of complex I, while complex IV is located between the end of the complex I hydrophobic arm and complex III. Several defined protein-protein contacts are observed between the component complexes, which are mediated predominantly by supernumerary subunits and close to the membrane surfaces. The interactions established between complex I and complex III are extensive and may support the argument that the association of complex I into supercomplexes is required for the stabilization or even the biogenesis of this complex.
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NADH:ubiquinone-oxidoreductase (complex I) is the largest membrane protein complex of the respiratory chain. Complex I couples electron transfer to vectorial proton translocation across the inner mitochondrial membrane. The L shaped structure of complex I is divided into a membrane arm and a matrix arm. Fourteen central subunits are conserved throughout species, while some 30 accessory subunits are typically found in eukaryotes. Complex I dysfunction is associated with mutations in the nuclear and mitochondrial genome, resulting in a broad spectrum of neuromuscular and neurodegenerative diseases. Accessory subunit NDUFS4 in the matrix arm is a hot spot for mutations causing Leigh or Leigh-like syndrome. In this review, we focus on accessory subunits of the matrix arm and discuss recent reports on the function of accessory subunit NDUFS4 and its interplay with NDUFS6, NDUFA12, and assembly factor NDUFAF2 in complex I assembly.
Adenosintriphosphat (ATP) als universelles Energieäquivalent der Zelle wird durch die oxidative Phosphorylierung synthetisiert, bei der Elektronen entlang des elektrochemischen Gefälles der Atmungskette über verschiedene Redoxkomplexe transferiert und durch die chemiosmotische Kopplung Protonen über die Membran gepumpt werden. Der Protonengradient wird dann von der ATP-Synthase genutzt, um ADP zu ATP zu phosphorylieren. Zentraler Redoxkomplex der Atmungskette vieler Pro- und Eukaryonten ist der bc1-Komplex, der Elektronen von Ubichinol auf Cytochrom c überträgt, von wo sie nachfolgend auf die Cytochrom c-Oxidase transferiert werden. Das mesophile Bodenbakterium Paracoccus denitrificans wird als Modellsystem für den mitochondrialen Elektronentransfer (ET) verwendet, da es eine aerobe Atmungskette exprimiert, die der mitochondrialen homolog ist, allerdings einen wesentlich einfacheren Aufbau der einzelnen Redoxkomplexe aufweist. Auch Thermus thermophilus als extrem thermophiles Bakterium bildet eine vergleichbare aerobe Atmungskette aus, wobei deren Proteine allerdings eine hohe Thermostabilität aufweisen, wodurch sie in das Interesse der Forschung gerückt sind. Ziel dieser Arbeit war die funktionelle Charakterisierung des ET zwischen Komplex III und IV der Atmungsketten von P. denitrificans und T. thermophilus, die aufgrund ihrer mesophilen und thermophilen Eigenschaften unterschiedliche Mechanismen in der Wechselwirkung ihrer Redoxproteine aufweisen. Es wurden lösliche Redoxfragmente verwendet, um anhand von Mutagenesestudien, Stopped-Flow (SF)- und Laserflash-Kinetiken (LF) unter pre-steady state-Bedingungen sowie FRET-Experimenten den ET zu untersuchen. Für die LF-Experimente wurde eine photoaktive Rutheniumverbindung kovalent an Cyt c552 gekoppelt, durch die bei Laseranregung das Häm photooxidiert und dadurch der ET von einem reduzierten Redoxpartner induziert werden kann. Die Strukturdaten des bc1/Cyt c-Cokomplexes aus Hefe zeigen, dass direkte Kontakte zwischen Cyt c1 und Cyt c durch unpolare Wechselwirkungen und eine zentrale Kation-p-Interaktion vermittelt werden. Daher wurden anhand von Sequenz- und Struktur-alignments äquivalente Aminosäurepositionen im Paracoccus Cyt c1 identifiziert, die an der Wechselwirkung zu Cyt c552 beteiligt sein könnten. Diese wurden durch gerichtete Mutagenese in ihrem Raumvolumen, ihrer Polarität oder Ladung variiert und in kinetischen Studien untersucht. Für die LF-Kinetiken sowie für die FRET-Experimente wurden Oberflächen-Cysteinmutanten des Cyt c1 bzw. c552 generiert, über deren SH-Gruppen kovalent der Rutheniumkomplex bzw. Fluorophore gekoppelt werden konnten. Die ET-Reaktion zeigt zwei Phasen in Abhängigkeit von der Ionenstärke. Bei niedrigen Ionenstärken ergeben sich Geschwindigkeitskonstanten von 109 M -1s-1 und eine geringe Ionenstärkeabhängigkeit (etwa eine effektive Ladung), wohingegen bei Ionenstärken ab 35 mM 2-3 effektive Ladungen pro Redoxpartner beteiligt sind und bimolekulare Geschwindigkeitskonstanten von 107 bis 109 M-1s-1 erhalten werden. Diese Ergebnisse deuten auf die Bildung eines Encounter-Komplexes bei niedrigen Ionenstärken hin, der ein Ensemble verschiedener Distanzen und relativer Orientierungen der Redoxpartner zueinander darstellt. Diese Annahme wurde ebenfalls durch FRET-Experimente bestätigt, durch die selbst bei niedrigen Ionenstärken keine definierten Abstände erhalten werden konnten. Die Geschwindigkeitskonstanten der bimolekularen Reaktion weisen auf einen diffusionskontrollierten Prozess hin, an dem 2 bis 3 effektive Ladungen an der elektrostatischen Annäherung der beiden Redoxpartner beteiligt sind. Diese Ergebnisse werden durch vorherige kinetische Untersuchungen und EPR-Studien des ET von Cyt c552 zum CuA-Fragment der aa3-Oxidase bekräftigt, für den die gleiche Anzahl effektiver Ladungen und die Bildung eines Encounter-Komplex gefunden wurden. Lediglich c1-Mutanten, deren variierte Aminosäuren sich direkt oberhalb der Hämspalte und in der Sequenz um bzw. innerhalb des Hämbindemotivs befinden, bewirken eine Verlangsamung der Gesamtreaktion und ein leicht verändertes Ionenstärkeverhalten, das auf eine leicht verschobene Interaktionsfläche hindeutet. Es wurde durch Sequenz- und Strukturalignments kein aromatischer Rest in direkter Nähe der entsprechenden Position im Paracoccus Cyt c1 gefunden, der wie im Hefekomplex eine stabilisierende Kation-p-Interaktion zwischen den Redoxpartnern vermittelt. Zur Untersuchung des ET zwischen Komplex III und Komplex IV aus T. thermophilus wurde die hydrophile Cytochrom c-Domäne der caa3-Oxidase in Analogie zum Paracoccus-System als lösliches Redoxfragment kloniert, heterolog exprimiert und charakterisiert. Dieses Fragment wurde in SF-Studien eingesetzt, um den ET zu seinen potentiellen Redoxpartnern Cyt cbc des bc-Komplexes und Cyt c552 zu charakterisieren. Es konnte gezeigt werden, dass das ccaa3-Fragment Elektronen von beiden Redoxpartnern empfängt, wobei die ET-Reaktion mit Cyt c552 so schnell verläuft, dass sie durch SF-Techniken nur schlecht aufgelöst und lediglich eine Größenordnung der Geschwindigkeitskonstanten abgeschätzt werden kann (kon ~ 1010 M-1s-1). Die Reaktion mit Cyt cbc verläuft auch noch schnell (kon = 108-109 M-1s-1) und ist nahezu unabhängig von der Ionenstärke, was eine hydrophobe Wechselwirkung zwischen beiden Redoxpartnern bestätigt. Die Ergebnisse deuten erstmals darauf hin, dass ein ET direkt zwischen zwei Redoxproteinkomplexen (bc-Komplex und caa3-Oxidase) stattfindet, ohne dass ein Elektronenüberträger (wie z. B. Cyt c552) zwischengeschaltet ist. Um die Übertragbarkeit der Erkenntnisse, die hier über den ET an löslichen Redoxfragmenten gewonnen wurden, in einem Proteinkomplex zu verifizieren, wurde ein bc1-Komplex verwendet, in dem die für P. denitrificans einzigartige saure Cyt c1-Domäne deletiert ist. Der Komplex wurde für eine erleichterte Aufreinigung mit einem His-tag versehen, homolog exprimiert und erste Aufreinigungs- und Charakterisierungsschritte unternommen. Er soll zukünftig eingesetzt werden, um die Mutationen des löslichen c1-Fragmentes in den Komplex zu überführen und die Mutanten kinetisch mittels pre-steady state- und steady state-Techniken im Vergleich zum bc1WT-Komplex zu untersuchen, ohne dass die Effekte der Punktmutationen durch die hohe negative Ladungsdichte der sauren Domäne überlagert werden.
NADH: ubiquinone oxidoreductase (complex I) is the first enzyme complex of the respiratory chain. Complex I is a redox-driven proton pump that contributes to the proton motive force that drives ATP synthase. The structure of complex I has been analyzed by x-ray crystallography and electron cryo-microscopy and is now well-described. The ubiquinone (Q) reduction site of complex I is buried in the peripheral arm and a tunnel-like structure is thought to provide access for the hydrophobic substrate from the membrane. Several intermediate binding positions for Q in the tunnel were identified in molecular simulations. Structural data showed the binding of native Q molecules and short chain analogs and inhibitors in the access pathway and in the Q reduction site, respectively. We here review the current knowledge on the interaction of complex I with Q and discuss recent hypothetical models for the coupling mechanism.
Arrangement of electron transport chain components in bovine mitochondrial supercomplex I1III2IV1
(2011)
The respiratory chain in the inner mitochondrial membrane contains three large multi-enzyme complexes that together establish the proton gradient for ATP synthesis, and assemble into a supercomplex. A 19-Å 3D map of the 1.7-MDa amphipol-solubilized supercomplex I1III2IV1 from bovine heart obtained by single-particle electron cryo-microscopy reveals an amphipol belt replacing the membrane lipid bilayer. A precise fit of the X-ray structures of complex I, the complex III dimer, and monomeric complex IV indicates distances of 13 nm between the ubiquinol-binding sites of complexes I and III, and of 10–11 nm between the cytochrome c binding sites of complexes III and IV. The arrangement of respiratory chain complexes suggests two possible pathways for efficient electron transfer through the supercomplex, of which the shorter branch through the complex III monomer proximal to complex I may be preferred.