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Der Cytochrom bc1 Komplex spielt in der mitochondrialen Atmungskette eine zentrale Rolle, er ist am Aufbau des Protonengradienten über die innere Mitochondrien-Membran beteiligt. Die Funktionsweise dieses integralen Membranproteinkomplexes ist trotz mehrerer gelöster Strukturen noch nicht vollständig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Komplex aus P. denitrificans untersucht und dabei mehrere Beiträge zu Struktur und Funktion dieses bakteriellen Modellsystems geleistet, wie z.B. seinem Oligomerenzustand in Detergenz-gelöster Form und zur Frage der Monomer:Monomer-Interaktion. Zur Strukturaufklärung des Cytochrom bc1 Komplexes aus P. denitrificans wurde ein chimärer Komplex zur Kristallisation eingesetzt, der in der Lage ist ein, Antikörper-Fragment zu binden, das bereits mit Erfolg zur Strukturbestimmung des Hefe-Komplexes verwendet wurde. Diese Experimente führten vermutlich wegen mangelnder Proteinstabilität nicht zum gewünschten Ergebnis. Eine zweite Mutante, bei der eine stark saure Domäne des Cyt c1 deletiert vorliegt (Δac Cytochrom bc1 Komplex), konnte jedoch erfolgreich kristallisiert und Diffraktionsmuster bis etwa 3,5 Ǻ erhalten werden. Die Kristalle weisen derzeit noch Inhomogenitäten, wahrscheinlich durch den Einfrierprozess, auf und werden gegenwärtig weiter optimiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte der lange diskutierte Oligomerenzustand des Cytochrom bc1 Komplexes aus P. denitrificans in solubilisiertem Zustand als Tetramer, beziehungsweise unter Einbeziehung struktureller und mechanistischer Daten und Überlegungen als Dimer eines Dimers, geklärt werden. Dies erfolgte durch eine für Membranproteine neue Form der Massenspektrometrie, die als LILBID-MS bezeichnet wird. Diese Daten konnten die bisher vorläufigen Beobachtungen aus BN-Gelelektrophorese und Gelfiltrationsversuchen eindeutig und unabhängig bestätigen. Darüber hinaus sollten noch Beiträge zur funktionellen Monomer:Monomer-Wechselwirkung geliefert werden. Hierfür wurde zunächst ein P. denitrificans Stamm erzeugt, der stabil zwei unterschiedliche fbc-Operons trägt und exprimiert: eine Wildtyp-Version mit Strep-tag und eine mit einem His-tag und einer inaktivierenden Mutation im Cyt b. Aus diesem Stamm sollte durch eine Tandem-Aufreinigung ein gemischter Cytochrom bc1 Komplex isoliert werden. Dies gelang nicht, wie in Westernblots, turnover und pre-steady-state Aktivitätsuntersuchungen gezeigt wurde, da sich der Komplex als Tetramer erwies und damit eine eindeutige Aufreinigung nicht möglich war. Die Lösung für dieses Problem liegt im Δac Cytochrom bc1 Komplex, der wie LILBID-MS Ergebnisse zeigten, lediglich als Dimer vorliegt; dazu müssen zukünftig die Affinitäts-tags und die inaktivierende Mutation auf diesen Komplex übertragen werden. Der zweite Beitrag zur Funktionsuntersuchung wurde anhand von Mutanten konservierter saurer Aminosäuren und von Tyrosinen im und um das QP-Zentrum geliefert, mit anschließenden Aktivitätsuntersuchungen, Inhibitor-Bindungstudien mit Stigmatellin und elektrochemisch-induzierten Redox-FTIR-Differenzspektren. Die Mutanten E295Q, E81Q und Y297Q zeigten eine verringerte Sensitivität für Stigmatellin. Die FTIR-Differenzspektren belegen, dass die Mutation der Positionen E295 und D278 die Signale für protonierte Seitengruppen verschieben. Die Mutation der Seitengruppen Y302, Y297, E81 und E295 beeinflussen direkt das oxidierte Chinon und das Proteinrückgrat. Die Bedeutung der lange diskutierten Seitengruppe E295 ließ sich als direkter Interaktionspartner mit dem Hydrochinon bestätigen. Die wichtige Rolle der Seitengruppen in Positionen E295 und Y302 konnte bestätigt werden. Darüber hinaus wurden die Seitengruppen D278 und E81 als wesentliche Wechselwirkungspartner für die Hydrochinon-Oxidation identifiziert. Die Seitengruppen des QP-Zentrums unterliegen durch das Wasserstoffbrückennetzwerk starken Wechselwirkungen, wodurch die Bindungstasche eine gewisse Toleranz gegenüber Veränderungen zeigt.
We previously proposed that the dimeric cytochrome bc(1) complex exhibits half-of-the-sites reactivity for ubiquinol oxidation and rapid electron transfer between bc(1) monomers (Covian, R., Kleinschroth, T., Ludwig, B., and Trumpower, B. L. (2007) J. Biol. Chem. 282, 22289-22297). Here, we demonstrate the previously proposed half-of-the-sites reactivity and intermonomeric electron transfer by characterizing the kinetics of ubiquinol oxidation in the dimeric bc(1) complex from Paracoccus denitrificans that contains an inactivating Y147S mutation in one or both cytochrome b subunits. The enzyme with a Y147S mutation in one cytochrome b subunit was catalytically fully active, whereas the activity of the enzyme with a Y147S mutation in both cytochrome b subunits was only 10-16% of that of the enzyme with fully wild-type or heterodimeric cytochrome b subunits. Enzyme with one inactive cytochrome b subunit was also indistinguishable from the dimer with two wild-type cytochrome b subunits in rate and extent of reduction of cytochromes b and c(1) by ubiquinol under pre-steady-state conditions in the presence of antimycin. However, the enzyme with only one mutated cytochrome b subunit did not show the stimulation in the steady-state rate that was observed in the wild-type dimeric enzyme at low concentrations of antimycin, confirming that the half-of-the-sites reactivity for ubiquinol oxidation can be regulated in the wild-type dimer by binding of inhibitor to one ubiquinone reduction site.
We have investigated the mechanism responsible for half-of-the-sites activity in the dimeric cytochrome bc(1) complex from Paracoccus denitrificans by characterizing the kinetics of inhibitor binding to the ubiquinol oxidation site at center P. Both myxothiazol and stigmatellin induced a 2-3 nm shift of the visible absorbance spectrum of the b(L) heme. The shift generated by myxothiazol was symmetric, with monophasic kinetics that indicate equal binding of this inhibitor to both center P sites. In contrast, stigmatellin generated an asymmetric shift in the b(L) spectrum, with biphasic kinetics in which each phase contributed approximately half of the total magnitude of the spectral change. The faster binding phase corresponded to a more symmetrical shift of the b(L) spectrum relative to the slower binding phase, indicating that approximately half of the center P sites bound stigmatellin more slowly and in a different position relative to the b(L) heme, generating a different effect on its electronic environment. Significantly, the slow stigmatellin binding phase was lost as the inhibitor concentration was increased. This implies that a conformational change is transmitted from one center P site in the dimer to the other upon stigmatellin binding to one monomer, rendering the second site less accessible to the inhibitor. Because the position that stigmatellin occupies at center P is considered to be analogous to that of the quinol substrate at the moment of electron transfer, these results indicate that the productive enzyme-substrate configuration is prevented from occurring in both monomers simultaneously.