Funktionelle Charakterisierung pflanzenspezifischer Komponenten der Atmungskette

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Peter Braun
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5424404

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) System pflanzlicher Mitochondrien gilt als besonders kompliziert. Neben den „klassischen“ Oxidoreduktase-Proteinkomplexen (den Komplexen I bis IV) kommen zahlreiche „alternative“ Oxidoreduktasen vor. Ferner zeichnen sich die Komplexe I bis IV durch spezielle Proteinuntereinheiten in Pflanzen aus. Gegenstand des Projektes war insbesondere eine Untersuchung der supramolekularen Struktur des pflanzlichen OXPHOS Systems. Mit Hilfe biochemischer Verfahren konnten drei verschiedene respiratorische Superkomplexe beschrieben werden: der I+III2 Superkomplex (enthält einen Komplex III-Dimer sowie einen Komplex I Monomer), der III2+IV2 Superkomplex (enthält einen Komplex III-Dimer und zwei Komplex IV-Monomere) und der V2-Superkomplex (dimere ATP Synthase). Mit Hilfe einer elektronenmikroskopischen single particle Analyse sowie Modellberechnungen, die unter Verwendung der Röntgenkristallstrukturen der Einzelkomplexe durchgeführt wurden, konnte die Architektur der Superkomplexe erstmals aufgeklärt werden. Dadurch ergeben sich erste Hinweise auf die biologische Funktion dieser Superkomplexe: Der V2 Superkomplex ist für die Cristae Bildung verantwortlich, wohingegen die I+III2 und III2+IV2 Superkomplexe vermutlich Strukturen darstellen, die einen besonders effektiven Elektronentransport ermöglichen. Die Funktionen der Zusatzuntereinheiten der Komplexe I bis IV wurden in Arabidopsis thaliana mit Hilfe von knock-out Mutanten untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Carboanhydrase-Untereinheiten des Komplex I für den effektiven Zusammenbau dieses Komplexes erforderlich sind. Transkriptomanalysen deuten darauf hin, dass die Gene dieser Untereinheiten vermindert exprimiert werden, sofern Pflanzen in Gegenwart einer erhöhten CO2 Konzentrationen kultiviert werden. Es gibt Hinweise darauf, dass diese Proteine im Kontext der Photorespiration für einen CO2-Recycling Mechanismus verantwortlich sind, durch den mitochondriales CO2 der chloroplastidären CO2 Fixierung zugeführt wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2004). Identification and characterization of respirasomes in potato mitochondria. Plant Physiol. 134, 1450-1459
  Eubel, H., Heinemeyer, J. and Braun, H.P.
  
• (2004). Mitochondrial cytochrome c oxidase and succinate dehydrogenase contain plant-specific subunits. Plant Mol. Biol. 56, 77-89
  Millar, A.H., Eubel, H., Jänsch, L., Kruft, V., Heazlewood, L. and Braun, H.P.
  
• (2005). Disruption of a nuclear gene encoding a mitochondrial gamma carbonic anhydrase reduces complex I and supercomplex I+III2 levels and alters mitochondrial physiology in Arabidopsis. J. Mol. Biol. 350, 263-277
  Perales, M., Eubel, H. Heinemeyer, J., Colaneri, A., Zabaleta, E. and Braun, H.P.
  
• (2005). Structure of a mitochondrial supercomplex formed by respiratory chain complexes I and III. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102: 3225-3229
  Dudkina, N.V., Eubel, H., Keegstra, W., Boekema, E.J. and Braun, H.P.
  
• (2006). Carbonic anhydrase subunits form a matrix-exposed domain attached to the membrane arm of mitochondrial complex I in plants. J. Biol. Chem. 281, 6482-6488
  Sunderhaus, S., Dudkina, N., Jänsch, L., Klodmann, J., Heinemeyer, J., Perales, M., Zabaleta, E., Boekema, E. and Braun, H.P.
  
• (2006). Respiratory chain supercomplexes in the plant mitochondrial membrane. Trends in Plant Science 11, 232-240
  Dudkina, N.V., Heinemeyer, J., Sunderhaus, S., Boekema, E.J. and Braun, H.P.
  
• (2007). A structural model of the cytochrome c reductase / oxidase supercomplex from yeast mitochondria. J. Biol. Chem. 282, 12240-12248
  Heinemeyer, J., Braun, H.P., Boekema, E.J. and Kuril, R.
  
• (2007). Supramolecular structure of the mitochondrial Oxidative Phosphorylation System. J. Biol. Chem. 282, 1-4
  Boekema, E.J. and Braun, H.P.
  
• (2008). A structural investigation of complex I and I+III2 supercomplex from Zea mays at 11-13 Å resolution: assignment of the carbonic anhydrase domain and evidence for structural heterogeneity within complex I. Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1777, 84-93
  Peters, K., Dukina, N.V., Jänsch, L., Braun, H.P. & Boekema, E.J.
  
• (2008). The higher level of the oxidative phosphorylation system: mitochondrial supercomplexes. J. Bioenerg. Biomembr. 40, 419–424
  Dukina, N.V., Sunderhaus, S., Boekema, E.J. & Braun, H.P.
  
• (2009). Megacomplex organization of the oxidative phosphorylation system by structural analysis of respiratory supercomplexes from potato. Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 60-67
  Bultema, J.B., Braun, H.P., Boekema, E.J. and Kouril, R.
  
• (2009). Purification of the cytochrome c reductase / cytochrome c oxidase supercomplex of yeast mitochondria. Meth. Enzymol. 456, 183-190
  Braun, H.P., Sunderhaus, S., Boekema, E.J. and Kouril, R.
  
• (2010). Internal architecture of mitochondrial complex I from Arabidopsis thaliana. The Plant Cell 22, 797–810
  Klodmann, J. Sunderhaus, S., Nimtz, M., Jänsch, L. and Braun, H.P.
  
• (2010). Supramolecular structure of the OXPHOS system in highly thermogenic tissue of Arum maculatum. Plant Physiol. Biochem. 48, 265-272
  Sunderhaus, S., Klodmann, J., Lenz, C. and Braun, H.P.
  
• (2011). Proteomic approach to characterize mitochondrial complex I from plants. Phytochemistry 72, 1071-1080
  Klodmann, J. and Braun, H.P.
  
• (2011). The protein complex proteome of plant mitochondria. Plant Physiology 157, 587-598
  Klodmann, J., Rode, C., Senkler, M., and Braun, H.P.