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Isolierung und Charakterisierung der Atmungsketten-Superkomplexe aus Paracoccus denitrificans
(2004)
Isolierung von Atmungsketten-Superkomplexen aus Paracoccus denitrificans: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Reinigungsprotokoll zur Präparation der Atmungskettenkomplexe I, III und IV des Gram-negativen, fakultativ anaeroben Bodenbakteriums Paracoccus denitrificans in Form eines NADH Oxidase Komplexes erstellt. Bisher konnten stabile Superkomplexe bakterielle Atmungskettenkomplexe nur in Gestalt einer Chinol Oxidase, bestehend aus den Komplexen III (Ubichinol:Cytochrom c Oxidoreduktase) und IV (Cytochrom c Oxidase), isoliert werden (Berry, et al., 1985). Jedoch enthielten diese Assemblierungen keinen Komplex I (NADH: Ubichinon Oxidoreduktase). Dies ist die erste chromatographische Isolierung eines kompletten "Respirasoms" aus Paracoccus denitrificans. Unter der Verwendung des milden Detergenz Digitonin zur Solubilisierung von Paracoccus denitrificans Membranen gefolgt von zwei chromatographischen Reinigungsschritten, der Hydroxylapatit-Chromatographie und der Gelfiltration, konnte eine NADH Oxidase, bestehend aus den Komplexen I, III und IV in einer 1:4:4 Stöchiometrie isoliert werden. Neben der Isolierung der NADH Oxidase konnten weitere kleine Superkomplexe identifiziert werden, die aus vier Komplex III und vier Komplex IV (III4IV4) sowie vier Komplex III und zwei Komplex IV (III4IV2) assoziiert waren. Charakterisierung der Superkomplexe aus Paracoccus denitrificans: Die isolierten Atmungskettenkomplexe wurden zur Charakterisierung bezüglich ihrer Funktion, enzymatischen Aktivität, Stöchiometrie und Untereinheiten-Zusammensetzung aus Paracoccus denitrificans Wildtyp-Membranen analysiert. Proben aller Präparationsstufen wurden parallel zur BN-Gelelektrophorese und für enzymatische Einzel- und kombinierte Aktivitäten der Komplexe I-IV eingesetzt. Mittels BN-Gelelektrophorese konnten die apparenten Massen der Komplexe bestimmt werden. Im folgenden denaturierenden SDS-Gel wurde die Untereinheiten-Zusammensetzung der Superkomplexe durch Immunodetektion mit Antikörpern gegen die Komplexe I, III, IV und Cytochrom c552 analysiert. Abschließend konnte nach der Gelfiltration festgestellt werden, das Komplex II eindeutig nicht Teil des Superkomplexes (I1III4IV4) war. Die Stöchiometrie des Superkomplexes a wurde mit Hilfe der fluorimetrischen Bestimmung von FMN (Flavin) als Marker für Komplex I und mittels Pyridin Hämochromogen Spektren für Häm a, b und c bestimmt. Da Komplex III physiologisch als Dimer vorliegt (Mayer et al. 2002), müsste die Stöchiometrie der funktionellen Einheit des Superkomplex a folgendermaßen lauten: I1 (III2)2 IV4. In diesem Fall diente der Vergleich der Wechselzahl einzelner Präparationsstufen als Maß der Verunreinigung der ergab, dass Fremdkomplexe mit Flavin und Cytochrom b im Ausgangsmaterial der Präparation vorhanden waren. Nur die Wechselzahl des Komplexes IV blieb während der Präparation konstant. Um den Gehalt an Komplex I und die Qualität der Präparation abzuschätzen, wurde das Verhältnis der HAR zu dNADH:DBQ Oxidoreduktase Aktivität in Membranen und isoliertem Superkomplex a bestimmt. Es war während der Präparation konstant. Die Bestimmung des Phospholipidgehalts aus isoliertem Superkomplex a im Vergleich zu P. denitrificans Membranen ergab eine Abnahme von 980 ± 80 nmol PL / mg Protein in Membranen auf 290 ± 10 nmol / mg Protein in isoliertem Superkomplex a, wohingegen der Ubichinongehalt von 2,7 ± 0,3 nmol / mg auf 6,7 ± 0,8 nmol / mg in isolierter Oxidase anstieg. Katalytische Aktivitäten von P. denitrificans Membranen des Parentalstamms und verschiedener Mutantenstämme zeigten, dass die Inaktivierung des Gens für fest gebundenes Cytochrom c552 die Bildung eines Superkomplexes nicht verhindern konnte, was ein Hinweis dafür ist, dass dieses Elektronen Carrier Protein nicht essentiell für die strukturelle Verbindung zwischen den Komplexen III und KIV ist. Komplex I Aktivität wurde ebenfalls in Membranen von Mutanten-Stämmen, denen Komplex III oder Komplex IV fehlte, gefunden. Jedoch enthielten diese Stämme keinen assemblierten Komplex I, sondern nur dissoziierte Untereinheiten des Komplexes. Trotz der Verwendung der selben Protokolle für die elektrophoretische Trennung und chromatographische Isolierung wie für Superkomplexe aus dem Wildtyp-Stamm, führte die Isolierung aus Mutantenstämmen, denen Komplex III oder IV fehlte, zum vollständigen Verlust der NADH:DBQ Oxidoreduktaseaktivität. Dies weist darauf hin, dass Paracoccus denitrificans Komplex I durch die Assemblierung in Form eines NADH Oxidase Superkomplex stabilisiert wird. Zusätzlich zum Substrat Channeling scheint die strukturelle Stabilisierung von Membran Protein Komplexen die Hauptaufgabe von respiratorischen Superkomplexen zu sein.
Significant reductions in stratospheric ozone occur inside the polar vortices each spring when chlorine radicals produced by heterogeneous reactions on cold particle surfaces in winter destroy ozone mainly in two catalytic cycles, the ClO dimer cycle and the ClO/BrO cycle. Chlorofluorocarbons (CFCs), which are responsible for most of the chlorine currently present in the stratosphere, have been banned by the Montreal Protocol and its amendments, and the ozone layer is predicted to recover to 1980 levels within the next few decades. During the same period, however, climate change is expected to alter the temperature, circulation patterns and chemical composition in the stratosphere, and possible geo-engineering ventures to mitigate climate change may lead to additional changes. To realistically predict the response of the ozone layer to such influences requires the correct representation of all relevant processes. The European project RECONCILE has comprehensively addressed remaining questions in the context of polar ozone depletion, with the objective to quantify the rates of some of the most relevant, yet still uncertain physical and chemical processes. To this end RECONCILE used a broad approach of laboratory experiments, two field missions in the Arctic winter 2009/10 employing the high altitude research aircraft M55-Geophysica and an extensive match ozone sonde campaign, as well as microphysical and chemical transport modelling and data assimilation. Some of the main outcomes of RECONCILE are as follows: (1) vortex meteorology: the 2009/10 Arctic winter was unusually cold at stratospheric levels during the six-week period from mid-December 2009 until the end of January 2010, with reduced transport and mixing across the polar vortex edge; polar vortex stability and how it is influenced by dynamic processes in the troposphere has led to unprecedented, synoptic-scale stratospheric regions with temperatures below the frost point; in these regions stratospheric ice clouds have been observed, extending over >106km2 during more than 3 weeks. (2) Particle microphysics: heterogeneous nucleation of nitric acid trihydrate (NAT) particles in the absence of ice has been unambiguously demonstrated; conversely, the synoptic scale ice clouds also appear to nucleate heterogeneously; a variety of possible heterogeneous nuclei has been characterised by chemical analysis of the non-volatile fraction of the background aerosol; substantial formation of solid particles and denitrification via their sedimentation has been observed and model parameterizations have been improved. (3) Chemistry: strong evidence has been found for significant chlorine activation not only on polar stratospheric clouds (PSCs) but also on cold binary aerosol; laboratory experiments and field data on the ClOOCl photolysis rate and other kinetic parameters have been shown to be consistent with an adequate degree of certainty; no evidence has been found that would support the existence of yet unknown chemical mechanisms making a significant contribution to polar ozone loss. (4) Global modelling: results from process studies have been implemented in a prognostic chemistry climate model (CCM); simulations with improved parameterisations of processes relevant for polar ozone depletion are evaluated against satellite data and other long term records using data assimilation and detrended fluctuation analysis. Finally, measurements and process studies within RECONCILE were also applied to the winter 2010/11, when special meteorological conditions led to the highest chemical ozone loss ever observed in the Arctic. In addition to quantifying the 2010/11 ozone loss and to understand its causes including possible connections to climate change, its impacts were addressed, such as changes in surface ultraviolet (UV) radiation in the densely populated northern mid-latitudes.
The international research project RECONCILE has addressed central questions regarding polar ozone depletion, with the objective to quantify some of the most relevant yet still uncertain physical and chemical processes and thereby improve prognostic modelling capabilities to realistically predict the response of the ozone layer to climate change. This overview paper outlines the scope and the general approach of RECONCILE, and it provides a summary of observations and modelling in 2010 and 2011 that have generated an in many respects unprecedented dataset to study processes in the Arctic winter stratosphere. Principally, it summarises important outcomes of RECONCILE including (i) better constraints and enhanced consistency on the set of parameters governing catalytic ozone destruction cycles, (ii) a better understanding of the role of cold binary aerosols in heterogeneous chlorine activation, (iii) an improved scheme of polar stratospheric cloud (PSC) processes that includes heterogeneous nucleation of nitric acid trihydrate (NAT) and ice on non-volatile background aerosol leading to better model parameterisations with respect to denitrification, and (iv) long transient simulations with a chemistry-climate model (CCM) updated based on the results of RECONCILE that better reproduce past ozone trends in Antarctica and are deemed to produce more reliable predictions of future ozone trends. The process studies and the global simulations conducted in RECONCILE show that in the Arctic, ozone depletion uncertainties in the chemical and microphysical processes are now clearly smaller than the sensitivity to dynamic variability.
Stable supercomplexes of bacterial respiratory chain complexes III (ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase) and IV (cytochrome c oxidase) have been isolated as early as 1985 (Berry, E. A., and Trumpower, B. L. (1985) J. Biol. Chem. 260, 2458-2467). However, these assemblies did not comprise complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase). Using the mild detergent digitonin for solubilization of Paracoccus denitrificans membranes we could isolate NADH oxidase, assembled from complexes I, III, and IV in a 1:4:4 stoichiometry. This is the first chromatographic isolation of a complete “respirasome.” Inactivation of the gene for tightly bound cytochrome c552 did not prevent formation of this supercomplex, indicating that this electron carrier protein is not essential for structurally linking complexes III and IV. Complex I activity was also found in the membranes of mutant strains lacking complexes III or IV. However, no assembled complex I but only dissociated subunits were observed following the same protocols used for electrophoretic separation or chromatographic isolation of the supercomplex from the wild-type strain. This indicates that the P. denitrificans complex I is stabilized by assembly into the NADH oxidase supercomplex. In addition to substrate channeling, structural stabilization of a membrane protein complex thus appears as one of the major functions of respiratory chain supercomplexes.