Structure of mitochondrial complex I and conformational coupling between electron transfer and proton translocation
Final Report Abstract
Die Energiegewinnung aerob lebender Zellen basiert wesentlich auf der mitochondrial lokalisierten oxidativen Phosphorylierung. Vier Enzymkomplexe, die in die innere Mitochondrienmembran eingebettet sind, bilden eine verzweigte Elektronentransportkette mit einem gemeinsamen terminalen Akzeptor, dem Sauerstoff. Der respiratorische Komplex I oxidiert das Coenzym NADH und überträgt die Elektronen auf Ubichinon. Die in dieser Redoxreaktion enthaltene Energie wird dafür genutzt, einen elektrochemischen Protonengradienten über der Membran aufzubauen. Die Komplexe III und IV sind ebenfalls Redox-getriebene Protonenpumpen. Der Protonengradient stellt die Triebkraft für das Enzym ATP Synthase dar, das den universellen zellulären Energieträger ATP herstellt. Im Einklang mit seiner zentralen Rolle im Energiestoffwechsel sind eine Reihe von Krankheiten bekannt, die auf einer unzureichenden oder fehlerhaften Funktion von Komplex I beruhen. Der molekulare Mechanismus von Komplex I ist immer noch weitgehend unverstanden. Dieses Projekt hat das Ziel, neue Erkenntnisse über die molekulare Struktur und die Funktion des mitochondrialen Komplex I zu gewinnen, der mit einer Masse von 1MDa und mehr als 40 Untereinheiten deutlich komplexer aufgebaut ist als der Enzymkomplex aus Bakterien. Für unsere Studien verwenden wir als eukaryotischen Modellorganismus die aerobe Hefe Yarrowia lipolytica. Komplex I aus Prokaryoten und Eukaryoten hat eine L-förmige Architektur, die aus einem peripheren Arm und einem Membranarm besteht. Der periphere Arm enthält alle Redox-aktiven Cofaktoren und die Substratbindungsstellen für NADH und Ubichinon. Der Membranarm enthält die Protonenpumpen. Durch die Fragmentierung in Subkomplexe konnten wir wertvolle Erkenntnisse über die Anordnung aller Untereinheiten im Enzymkomplex gewinnen. Wir konnten zeigen, dass eine Domäne des peripheren Arms durch die akzessorischen Untereinheiten NB4M und ACPM1 aufgebaut wird und eine essentielle Bedeutung für die Ubichinonreduktase Aktivität des mitochondrialen Komplex I hat. Die Charakterisierung einer bisher nur vermuteten weiteren Metallbindungsstelle des Komplex I erlaubte es, einen Zwischenschritt in der komplizierten Biogenese von Komplex I detailliert zu beschreiben. Die Röntgenstruktur des mitochondrialen Komplex I konnte mit einer Auflösung von 3.6 bis 3.9 Å gelöst werden. Auf der Basis neuer struktureller Erkenntnisse schlagen wir einen Mechanismus für die Kopplung von Elektronentransfer und Protonenpumpen vor.
Publications
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(2011) A scaffold of accessory subunits links the peripheral arm and the distal proton pumping module of mitochondrial complex I. Biochem. J 437: 279-288
Angerer H, Zwicker K, Wumaier Z, Sokolova L, Heide H, Steger M, Kaiser S, Nübel E, Brutschy B, Radermacher M, Brandt U, Zickermann V
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(2014) The LYR protein subunit NB4M/NDUFA6 of mitochondrial complex I anchors an acyl carrier protein and is essential for catalytic activity. Proc Nati Acad of Sci USA 111:5207-5212
Angerer H, Radermacher M, Mankowska M, Steger M, Zwicker K, Heide H, Wittig I, Brandt U, Zickermann V
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Mechanistic Insight from the Crystal Structure of Mitochondrial Complex I. Science 02 Jan 2015: Vol. 347, Issue 6217, pp. 44-49
Zickermann, V., Wirth, C., Nasiri, H., Siegmund, K., Schwalbe, H., Hunte, C., & Brandt, U.
