Bestimmung des Protontranslokationsmechnismus von Komplex I

Die Art und Weise wie unser Körper Energie produziert, bringt ganze Generationen von Wissenschaftern seit Jahrzehnten zum Grübeln. Komplex I ist das erste und größte Enzym der Atmungskette und spielt eine zentrale Rolle in diesem Prozess, indem es den Transfer von zwei Elektronen von NADH zu Ubichinon mit der Translokation von vier Protonen durch die Membran verbindet. Der L-förmige Komplex beinhaltet zwei große Bereiche: den hydrophilischen Arm, der in die mitochondriale Matrix oder das bakterielle Cytoplasma hineinreicht und Elektronen zum Ubichinon transportiert und einen Membran- Arm, der vier Protonen durch die Membran pumpt. Die medizinische Bedeutung von Komplex I ist herausragend. Die große Mehrheit der mitochondrialen Erkrankungen, hauptsächlich neuro- degenerative Störungen, wurde in Verbindung mit multiplen Mutationen von Genen gebracht, die strukturelle Untergruppen von Komplex I kodieren. Diese Mutationen zerstören die strukturelle Integrität von Komplex I, was die Bildung des Protonengradienten und folglich von ATP beeinträchtigt. Diese Veränderungen resultieren auch in einer verstärkten Produktion der reaktiven Sauerstoffarten, was Komplex I, die mitochondriale Membran, die mitochondriale DNA und andere Proteine weiter schädigt. Daher ist das Verständnis der Funktionsweise dieses Enzyms von grundlegender Bedeutung, da es zur Formulierung von neuartigen und innovativen Therapiestrategien führen kann. Allerdings bleibt ein fundamentales Problem trotz Jahrzenten extensiver struktureller und biochemischer Forschung ungelöst: Wie ermöglicht die Reduktion von Ubichinon eine Translokation der Protonen in der Membran? Das liegt hauptsächlich am Mangel von hochauflösenden strukturellen Daten, welche die Konformation von Komplex I in verschiedenen Stadien des Proton-Translokations-Zyklus enträtseln würden. Dieses Projekt zielt darauf ab, dies zu ändern. Durch die Arbeit an dem vorgeschlagenen Projekt werden die Wissenschafter vom IST Austria, Dr. Karol Kaszuba und Prof. Leonid Sazanov, alle relevanten Details des Protonen-Translokations-Mechanismus entschlüsseln, indem sie sich auf die atomare Struktur von Komplex I stützen, die für unterschiedliche Redoxzustände der Enzyme von aus Einzelteilchen-Kryo-Elektronenmikroskopie gewonnenen Karten abgeleitet wird. Diese Strukturen werden in weiterer Folge durch die Anwendung eines weiten Spektrums von Computersimulationen analysiert. Im Erfolgsfall wird uns dieses Projekt endlich ein Verständnis des mysteriösen Prozesses des Protonen-Transfers ermöglichen eines der faszinierendesten Geheimnissein den Forschungsgebieten Bioenergetikund Naturwissenschaften generell.

Die Art und Weise wie unser Körper Energie produziert, bringt ganze Generationen von Wissenschaftern seit Jahrzehnten zum Grübeln. Komplex I ist das erste und größte Enzym der Atmungskette und spielt eine zentrale Rolle in diesem Prozess, indem es den Transfer von zwei Elektronen von NADH zu Ubichinon mit der Translokation von vier Protonen durch die Membran verbindet. Der L-förmige Komplex beinhaltet zwei große Bereiche: den hydrophilischen Arm, der in die mitochondriale Matrix oder das bakterielle Cytoplasma hineinreicht und Elektronen zum Ubichinon transportiert und einen Membran-Arm, der vier Protonen durch die Membran pumpt. Die medizinische Bedeutung von Komplex I ist herausragend. Die große Mehrheit der mitochondrialen Erkrankungen, hauptsächlich neuro-degenerative Störungen, wurde in Verbindung mit multiplen Mutationen von Genen gebracht, die strukturelle Untergruppen von Komplex I kodieren. Diese Mutationen zerstören die strukturelle Integrität von Komplex I, was die Bildung des Protonengradienten und folglich von ATP beeinträchtigt. Diese Veränderungen resultieren auch in einer verstärkten Produktion der reaktiven Sauerstoffarten, was Komplex I, die mitochondriale Membran, die mitochondriale DNA und andere Proteine weiter schädigt. Daher ist das Verständnis der Funktionsweise dieses Enzyms von grundlegender Bedeutung, da es zur Formulierung von neuartigen und innovativen Therapiestrategien führen kann. Allerdings bleibt ein fundamentales Problem trotz Jahrzenten extensiver struktureller und biochemischer Forschung ungelöst: Wie ermöglicht die Reduktion von Ubichinon eine Translokation der Protonen in der Membran? Das liegt hauptsächlich am Mangel von hochauflösenden strukturellen Daten, welche die Konformation von Komplex I in verschiedenen Stadien des Proton-Translokations-Zyklus enträtseln würden. Mit diesem Projekt hat sich das geändert. Hier habe ich verschiedene Proteinkonformationen des bakteriellen Komplex I auf Basis von Single-Particle EM-Rekonstruktionen konstruiert und diese unter Verwendungen von Computersimulationen studiert. Dies erlaubte es mir, einen Zusammenhang zwischen strukturellen Veränderungen an der Bindungsstelle eines Komplexes (induziert durch das Binden von Ubiquinon) und strukturellen Veränderungen an der Membran, genaür dem Lokus des Protonentransfers, herzustellen. über die Existenz eines solchen Zusammenhanges wurde lange spekuliert, jedoch wurde sie nie demonstriert. Meine Arbeit erlaubte mir eine Hypothese über einen möglichen Mechanismus dieses Vorgangs vorzuschlagen. Die Ergebnisse der Simulationen suggerieren, dass die Ladungsverteilung der Aminosäurereste, welche mit Ubiquinon interagieren, eine dominante Rolle in der Induktion der erwähnten strukturellen Veränderungen in der Membran spielen. Insgesamt haben meine Untersuchungen die Hypothese, dass Ubiquinon eine zentrale Rolle im Protonentransfer spielt, dadurch gestärkt, dass sie gezeigt haben, dass die Reduktion der Ubuiquinonkonzentration zu Veränderungen in der Membrandomäne eines Komplexes führen können und dass diese Veränderungen wahrscheinlich durch einen Mechanismus, welcher durch Veränderungen in der Ladungsverteilung vermittelt wird, bewerkstelligt werden. Somit hat dieses Projekt wesentlich zum Verständnis des bisher unzureichend erforschten Prozesses des Protonentransfers, einem der faszinierendsten Prozesse im Forschungsfeld der Biönergetik und der Naturwissenschaften im Allgemeinen, beigetragen.