Structure-based theoretical characterisation of the redox-dependent titration behaviour of cytochrome bc1

Struktur-basierte theoretische Charakterisierung des redoxabhängigen Titrationsverhaltens von Cytochrom bc1

Cytochrome bc1 is a coenzyme-Q-cytochrome-c-oxidoreductase that represents complex III of the mitochondrial respiratory chain. It spans the inner mitochondrial membrane and uses the free energy of electron transfer from coenzyme Q (CoQ) to cytochrome c to shift protons across the membrane. The chemical energy of reduced CoQ is thus converted into the energy of a proton motive force. The coupling between electron transfer and proton translocation is based on the Q-cycle mechanism. This mechanism Cytochrome bc1 is a coenzyme-Q-cytochrome-c-oxidoreductase that represents complex III of the mitochondrial respiratory chain. It spans the inner mitochondrial membrane and uses the free energy of electron transfer from coenzyme Q (CoQ) to cytochrome c to shift protons across the membrane. The chemical energy of reduced CoQ is thus converted into the energy of a proton motive force. The coupling between electron transfer and proton translocation is based on the Q-cycle mechanism. This mechanism comprises two CoQ-binding active sites, that catalyse the oxidation/deprotonation and reduction/protonation of CoQ, respectively. The two sites are located at opposite sides of the membrane. Their intricate chemistry is a matter of ongoing debate. This thesis describes a structure-based theoretical approach to characterise redox-linked protonation state changes in cytochrome bc1, that are at the heart of its catalytic mechanism. The analysis of the titration behaviour of cytochrome bc1 is however complicated by its membrane environment, its high number of titratable sites, their interaction with each other and with redox-active groups, and the conformational variability of the CoQ oxidation site. A series of four studies has prepared the grounds to approach this challenging system. The first article analyses the effect of conformational variability and electrostatic interaction on the titration behaviour of simple model systems (Manuscript A). Based on this study, the coupling between conformational and protonation state changes has been analysed in a relatively simple soluble protein (Manuscript B). The effect of pH on the position of CoQ in a CoQ-reducing transmembrane protein has been quantified as described in Manuscript C. Manuscript D presents a study of the coupling between redox and protonation reactions of the Rieske iron-sulphur cluster, that is one of the prosthetic groups of cytochrome bc1. Based on crystal structures of cytochrome bc1 from Saccharomyces cerevisiae, the protonation probabilities of all titratable groups in the protein have then been calculated, once for its completely oxidised state and once for its completely reduced state. The results allow to identify individual residues that undergo redox-linked protonation state changes. They are consistent with the results of Fourier transform infra-red spectroscopy, and aid in the often complicated interpretation of these experimental data. The calculation results reveal a modified path for proton uptake to the CoQ reduction site (ManuscriptE). In the CoQ oxidation site (Manuscript F), the population of protonation and conformational states is consistent with a previously proposed gating mechanism of the catalytic reaction, that may help to prevent harmful bypass reactions. Coupling between the reduction and protonation of both the Rieske cluster and haem bL highlight the importance of these cofactors in the combined oxidation and deprotonation of CoQ.show moreshow less
Cytochrom bc1 ist eine Coenzym-Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase. Es fungiert als Komplex III der mitochondrialen Atmungskette, deren Komponenten in die innere Mitochondrienmembran eingebettet sind. Cytochrom bc1 koppelt die Elektronentransferreaktion zwischen Coenzym Q (CoQ) und Cytochrom c an die gerichtete Bewegung von Protonen über die Membran, und wandelt so die chemische Energie des reduzierten CoQ in eine protonenmotorische Kraft um. Die Kopplung der beiden Prozesse in Cytochrom bc1 beruht aufCytochrom bc1 ist eine Coenzym-Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase. Es fungiert als Komplex III der mitochondrialen Atmungskette, deren Komponenten in die innere Mitochondrienmembran eingebettet sind. Cytochrom bc1 koppelt die Elektronentransferreaktion zwischen Coenzym Q (CoQ) und Cytochrom c an die gerichtete Bewegung von Protonen über die Membran, und wandelt so die chemische Energie des reduzierten CoQ in eine protonenmotorische Kraft um. Die Kopplung der beiden Prozesse in Cytochrom bc1 beruht auf dem sogenannten Q-Zyklus. Grundlage dieses Mechanismus sind zwei aktive Zentren, die auf entgegengesetzten Seiten der Membran die Oxidation/Deprotonierung beziehungsweise die Reduktion/Protonierung von CoQ katalysieren. Die genaue Mechanismus dieser katalytischen Reaktionen ist nicht verstanden. Die vorliegende Arbeit stellt daher einen strukturbasierten theoretischen Ansatz vor, mit dem redoxabhängige Protonierungszustandsänderungen in Cytochrom bc1 identifiziert werden können. Cytochrom bc1 stellt wegen seiner Membranumgebung, seiner zahlreichen titrierbaren Gruppen, ihrer Wechselwirkungen untereinander und mit redoxaktiven Kofaktoren, sowie wegen seiner konformationellen Variabilität ein kompliziertes System dar. In einer Reihe von vier Arbeiten an einfacheren Systemen wurden zunächst Lösungen für diese Probleme entwickelt. Die erste Arbeit charakterisiert den Einfluss von elektrostatischer Wechselwirkung und konformationeller Variabilität auf das Protonierungsverhalten von fiktiven Modellsystemen (Manuskript A). Die Kopplung von Konformations- und Protonierungszustandsänderungen wurde dann in einem relativ einfachen Protein untersucht (Manuskript B). Die pH-Abhängigkeit der Bindungsstelle von CoQ im aktiven Zentrum eines CoQ-reduzierenden Transmembranproteins wird in Manuskript C beschrieben. Manuskript D charakterisiert die Redox- und Protonierungsreaktionen des Rieske Eisen-Schwefel-Zentrums, das eine der prosthetischen Gruppen von Cytochrom bc1 darstellt. Auf der Grundlage von Kristallstrukturen von Cytochrom bc1 aus Saccharomyces cerevisia wurden schließlich die Protonierungswahrscheinlichkeiten aller titrierbaren Gruppen im vollständig oxidierten und vollständig reduzierten Protein berechnet. Dadurch lassen sich einzelne Gruppen identifizieren, deren Protonierungszustand sich in Abhängigkeit vom Redoxzustand des Systems verändert. Die Ergebnisse zeigen Übereinstimmung mit experimentellen Daten und helfen bei der Interpretation redoxinduzierter Veränderungen in komplizierten Infrarot-Spektren. In Manuskript E wird ein neuer Weg der Protonenaufnahme während der CoQ-Reduktion vorgeschlagen. Die Ergebnisse für das CoQ-oxidierende Zentrum (Manuskript F) sind vereinbar mit einem viel diskutierten Mechanismus, der die Reaktion nur dann zulässt, wenn schädliche Nebenreaktionen nicht stattfinden können. Eine Kopplung von Reduktion und Protonierung des Rieske-Zentrums sowie des Häm bL unterstreicht die Bedeutung dieser Gruppen in der konzertierten Oxidation/Deprotonierung von CoQ.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Chemie
Author: Astrid Klingen
Advisor:Prof. Dr. Matthias Ullmann
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:23.01.2007
Year of Completion:2006
SWD-Keyword:Elektrostatik; Mitochondrium; Theoretische Biophysik; Ubihydrochinon-Cytochrom-c-Reductase
Tag:Enzymmechanismus; Protonierungswahrscheinlichkeit; Strukturbiologie
enzyme mechanism; membrane protein; protonation probability; structure-based biochemistry; theoretical biophysics
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
RVK - Regensburg Classification:WD 5055
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-2699
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):16.02.2007