Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3969
Heitbrink, Dirk
Infrarotspektroskopische Untersuchungen zum Mechanismus der Cytochrom-c-Oxidase
II, 114 S., 2002

Die Cytochrom-c-Oxidase ist eine komplexe biologische Maschine, die einen elektrochemischen Gradienten über einer Membran aufbaut. Getrieben wird dieser Prozess durch die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Neben den vier Protonen, die durch die Membran gepumpt werden, müssen noch vier weitere Protonen für die Sauerstoffchemie aufgenommen werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie Untersuchungen über den Zusammenhang zwischen der Struktur und den während des Funktionszyklus ablaufenden Prozessen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Strategien verfolgt:

Mit der vollreduzierten, CO gebundenen Rinderherzoxidase konnte erstmals gezeigt werden, dass es möglich ist, mit einer Zeitauflösung von 5 µs Differenzspektren über den Bereich von 2200 bis 950 cm-1 aufzunehmen. Die Analyse der Daten ergibt, dass die transiente Bindung des fotolysierten CO an CUB sowie die Strukturänderung einer etwa 12 A entfernten Aminosäure (E286) kinetisch gekoppelt sind. Diese Aminosäure ist Teil eines vorgeschlagenen Protonenkanals und spielt eine entscheidende Rolle beim Transport von Protonen ins Reaktionszentrum bzw. durch die Membran. Die Ergebnisse lassen auf einen Mechanismus schließen, der den Eintritt des Sauerstoffs unter Beteiligung der Aminosäure E286 kontrolliert.

Die Ergebnisse mit der halbreduzierten, CO gebundenen Cytochrom-c-Oxidase von Rhodobacter sphaeroides zeigen erstmals, dass der Elektronentransfer vom Häm a3 zum Häm a an die Deprotonierung der oben schon beschriebenen Aminosäure E286 gekoppelt ist. Folglich ist nicht nur der K-Kanal am reduktiven Teil des Funktionszyklus beteiligt, sondern auch der D-Kanal, was gängigen Modellen der Literatur widerspricht.

Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die Rekonstitution der bakteriellen Cytochrom-c-Oxidase in Proteoliposomen keinen Einfluss auf das Protein hat; somit konnte die ATR-Technik für weitere Experimente genutzt werden.

Die Auswertung von Redox-Differenzspektren des Wildtyps und der Mutanten, aufgenommen mit der ATR-Technik, ergeben die präzise Zuordung eines Bandenmusters im Differenzspektrum. Dieses Signal kann eindeutig der Umgebungsänderung der Aminosäure E286 zugewiesen werden.

Zum ersten Mal konnte im IR ein Intermediatspektrum des oxidativen Teils des Funktionszyklus aufgenommen werden. Die Interpretation der Differenzspektren demonstriert, dass ein Tyrosin beim Übergang in den Zustand F involviert ist und deprotoniert vorliegt.

Cytochrome c oxidase is a complex biologica1 machinery , which couples the reduction of oxygen to a vectorial transport of protons across the membrane. To achieve this, the protein takes up eight protons, four electrons, and an oxygen molecule. The electrons and four of the eight protons are used for the reduction of oxygen to produce water. The remaining four protons are pumped across the membrane.

In this work, Fourier-transform infrared spectroscopy was applied to provide insight into the structural and functional relationships of the complex catalytic cycle. To accomplish this, different strategies were applied:

The results obtained with the fully reduced, CO-bound cytochrome c oxidase from bovine heart showed for the first time the possibility of performing difference spectroscopy on this enzyme with a time-resolution of 5 µs in the range of 2200 to 950 cm-l. The evaluation of the data revealed a dynamic link between the transient binding of CO to CUB and the movement of an amino acid side chain (E286) approximately 12 A away. This amino acid is part of the D-channel and thought to play an important role in guiding the protons either into the binuclear center or through the membrane. The results presented in this work suggest a mechanism in which oxygen binding is controlled via E286.

The outcome of the measurements with the two electron-reduced, CO-bound cytochrome c oxidase from Rhodobacter sphaeroides indicate the deprotonation of E286 during electron transfer from heme a3 to heme a. This result contradicts the current model of the catalytic-cycle because this deprotonation suggests an uptake of just one proton rather than two through the K-channel.

Redox difference spectra of wild type and mutant cytochrome c oxidase obtained with the attenuated total reflection technique pointed out the precise assignment of a band feature. This signal was clearly attributed to a conforrnational change of the side chain of amino acid E286.

For the flfSt time it was possible to record a difference spectrum in the IR of the oxidative part of the catalytic cycle. The F minus O spectrum showed an involvement of a tyrosine which undergoes deprotonation.

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Letzte Änderung: 07.06.2022