Open Access

Protonen gekoppelter Elektronentransfer ist ein zentraler Bestandteil der chemiosmotischen Theorie. Die Beschreibung seiner Natur ist aufgrund seines transienten Charakters eine komplexe Aufgabe. Elektrometrische Messungen stellen hier eine große Hilfe in der Erfassung von Ladungsverschiebungen dar. Sie erlauben die zeitliche Beschreibung des Elektronen- und Protonentransportes, der mit kaum einer geeigneten Methode beobachtet werden kann, und geben Einblick in deren molekularen Mechanismus. Diese Technik wurde hier an drei verschiedenen Membrankomplexen der Atmungskette angewandt: der Cytochrom c Oxidase (COX) aus Paracoccus denitrificans, der Quinol-Fumarat-Reduktase (QFR) aus Wolinella succinogenes und dem bc(1)-Komplex aus Saccharomyces cerevisiae. Hinsichtlich der experimentellen Vorgehensweise für kinetische Untersuchungen stellte sich ein übergreifendes Problem. Neben einer schnellen Aktivierung der Enzymsysteme bedurfte es eines definierten Ausgangszustands. Ziel dieser Arbeit war das Etablieren von Bedingungen, die elektrometrische Messungen am bc(1) und der QFR erlauben, sowie die Fortführung dieser Methodik am bereits vorhandenen System der COX. Cytochrom c Oxidase Elektrometrische Untersuchungen an der COX wurden basierend auf Vorarbeiten weitergeführt. Insbesondere die Ladungsverschiebungen nach Photoreduktion ausgehend vom völlig oxidierten Zustand rückten in den Fokus. In diesem Schritt wird ein Proton aufgenommen, während Häm a vom angeregten Zustand eines Rutheniumkomplexes reduziert wird. Dieses Verhalten ist unabhängig vom heterogenen Ausgangszustand der COX, er wird jedoch durch eine Änderung des pH-Wertes beeinflußt. Der heterogene Ausgangszustand im O-E-Übergang wurde in einem sequentiellen Modell diskutiert. Dabei wurde auf die Diskrepanz zwischen den elektrometrischen und den publizierten spektroskopischen Messungen hingewiesen. Während spektroskopisch die Cu(A)-Oxidation und Häm a-Reduktion in einer Phase verliefen, wurde in den elektrometrischen Messungen eine zweite deutlich langsamere Phase für den Protonentransfer beobachtet. Ein sequentielles Reaktionsmodell führte hier zu einem Widerspruch. Die Auswirkungen auf die Natur der Kopplung von Häm a und dem aufgenommenen Proton wurden diskutiert. Die Kinetik der Ladungsverschiebung wurde detailliert anhand der Temperaturabhängigkeit und des Isotopeneffektes untersucht und mit den Ergebnissen aus den Messungen an einem thermophilen Enzym, der ba(3)-Oxidase aus Thermus thermophilus, verglichen. Quinol-Fumarat-Reduktase Für eine schnelle Aktivierung der QFR wurde ein caged Fumarat synthetisiert, das nach Photolyse zu einer schnellen Erhöhung der Fumaratkonzentration führte. Die neue Substanz wurde bezüglich einer möglichen Verwendung für die QFR charakterisiert. Die Freisetzung erfolgte mit einer Zeitkonstante von 0,1 ms und aktivierte die QFR nur im photolysierten Zustand. Aufgrund der Photochemie der metallischen Kofaktoren in der QFR konnten jedoch keine kinetischen Messungen durchgeführt werden. Da die photochemisch induzierten Elektronenbewegungen in der QFR mit zunehmender Wellenlänge abnahmen, wurde eine neue Substanz vorgeschlagen, die im sichtbaren Spektralbereich gespalten werden kann. bc(1)-Komplex Der bc(1)-Komplex kann wie die COX durch einen Rutheniumkomplex aktiviert werden. Ein dimerer sowie ein an Cytochrom c gekoppelter Rutheniumkomplex wurde hierfür anhand von Literaturdaten synthetisiert, und die Verbindungen wurden hinsichtlich ihrer Eigenschaften nach Lichtanregung charakterisiert. Für die elektrometrischen Messungen wurde der bc(1)-Komplex in Proteoliposomen rekonstituiert, und der Ausgangszustand des bc(1)-Komplexes unter reduktiven und oxidativen Bedingungen eingestellt. Mit dem dimeren Rutheniumkomplex wurden elektrometrische Experimente durchgeführt, die zu zwei Phasen in der Spannungsantwort führten. Die Daten wurden zusammen mit den publizierten spektroskopischen diskutiert. Dabei wurde eine schnelle elektrogene Phase einem Elektronentransfers zwischen Häm c(1) und dem Eisen-Schwefel-Cluster des Rieske-Proteins zugeordnet. Eine langsamere Phase erwies sich sensitiv gegenüber Antimycin und spiegelt Vorgänge unter der Kontrolle der Q(i)-Bindungsstelle wider.

The sequenced genome of the poly-extremophile Exiguobacterium sp. S17, isolated from modern stromatolites at Laguna Socompa (3,570 m), a High-Altitude Andean Lake (HAAL) in Argentinean Puna revealed a putative proteorhodopsin-encoding gene. The HAAL area is exposed to the highest UV irradiation on Earth, making the microbial community living in the stromatolites test cases for survival strategies under extreme conditions. The heterologous expressed protein E17R from Exiguobacterium (248 amino acids, 85% sequence identity to its ortholog ESR from E. sibiricum) was assembled with retinal displaying an absorbance maximum at 524 nm, which makes it a member of the green-absorbing PR-subfamily. Titration down to low pH values (eventually causing partial protein denaturation) indicated a pK value between two and three. Global fitting of data from laser flash-induced absorption changes gave evidence for an early red-shifted intermediate (its formation being below the experimental resolution) that decayed (τ1 = 3.5 μs) into another red-shifted intermediate. This species decayed in a two-step process (τ2 = 84 μs, τ3 = 11 ms), to which the initial state of E17-PR was reformed with a kinetics of 2 ms. Proton transport capability of the HAAL protein was determined by BLM measurements. Additional blue light irradiation reduced the proton current, clearly identifying a blue light absorbing, M-like intermediate. The apparent absence of this intermediate is explained by closely matching formation and decay kinetics.

Channelrhodopsin-2 (ChR2) is a light-gated cation channel and was used to lay the foundations of optogenetics. Its dark state X-ray structure has been determined in 2017 for the wild-type, which is the prototype for all other ChR variants. However, the mechanistic understanding of the channel function is still incomplete in terms of structural changes after photon absorption by the retinal chromophore and in the framework of functional models. Hence, detailed information needs to be collected on the dark state as well as on the different photointermediates. For ChR2 detailed knowledge on the chromophore configuration in the different states is still missing and a consensus has not been achieved. Using DNP-enhanced solid-state MAS NMR spectroscopy on proteoliposome samples, we unambiguously determined the chromophore configuration in the desensitized state, and we show that this state occurs towards the end of the photocycle.