Electrostatic Investigations on the Mechanism of Quinone Reduction in the Qi Site of Cytochrome bc1

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Ullmann
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5451964

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

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 uber 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 durchgeführten Untersuchungen stellen 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 Arbeiten an einfacheren Systemen wurden zunächst Lösungen für diese Probleme entwickelt. Dabei wurde der Einfluss von elektrostatischer Wechselwirkung und konformationeller Variabilität auf das Protonierungsverhalten von Modellsystemen sowie die Kopplung von Konformations- und Protonierungszustandsänderungen untersucht. Auf der Grundlage von Kristallstrukturen von Cytochrom bc1 aus Saccharomyces cerevisiae wurden 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 Ubereinstimmung mit experimentellen Daten und helfen bei der Interpretation redoxinduzierter Veränderungen in komplizierten Infrarot-Spektren. Es wurde ein neuer Weg der Protonenaufnahme während der CoQ-Reduktion vorgeschlagen. In weiteren Untersuchungen wurde quantenchemisch die Energetik der Redox- und Protonierungszustände von Chinonen untersucht. Außerdem wurden Pharmakophor-Muster verschiederer Chinon-Enzym-Inhibitoren untersucht, um die Spezifität der der Inhibitoren für die Qo- oder die Qi-Bindungstasche besser zu verstehen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Theoretical Investigation of the Behavior of Titratable Groups in Proteins. Photochem. Photobiol. Sci., 5, 588-596, 2006
  Astrid R. Klingen, Elisa Bombarda, and G. Matthias Ullmann
  
• Effect of HPr Phosphorylation on Structure, Dynamics, and Interactions in the Course of Transcriptional Control. J. Mol. Mod., 13, 431-444, 2007
  Nadine Homeyer, Timm Essigke, Heike Meiselbach, G. Matthias Ullmann, Heinrich Sticht
  
• Effects of Histidine Protonation and Phosphorylation on HPr Structure, Dynamics and Physicochemical Properties. Biochemistry, 46: 12314-12326, 2007
  Nadine Homeyer, Timm Essigke, G. Matthias Ullmann, and Heinrich Sticht
  
• Photoswitching Mechanism of the Fluorescent Protein asFP595: Proton Pathways, pH Dependence, and Absorption Spectra. Angewandte Chemie, 46, 530-536, 2007
  Lars V. Schäfer, Gerrit Groenhof, Astrid R. Klingen, G. Matthias Ullmann, Martial Boggio-Pasqua, Michael A. Robb, and Helmut Grubmüller
  
• Redoxlinked Protonation State Changes in Cytochrome bc1 Identified by Poisson-Boltzmann Electrostatics Calculations. Biochem. Biophys. Acta Bioenergetics, 1767, 204-221, 2007
  Astrid R. Klingen, Hildur Palsdottir, Carola Hunte, and G. Matthias Ullmann
  
• Investigating the Mechanisms of Photosynthetic Proteins Using Continuum Electrostatics. Photosynth. Res., 97: 33-53, 2008
  G. Matthias Ullmann, Edda Kloppmann, Timm Essigke, Eva-Maria Krammer, Astrid R. Klingen, Torsten Becker, Elisa Bombarda