Komplexe der Atmungskette

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Unsere KryoET-Studien an Mitochondrienmembranen haben gezeigt, dass die ATP-Synthase nicht wie allgemein angenommen zufällig in der Membran verteilt ist, sondern sich seitlich in Membranregionen aufteilt, die die ATP-Synthase enthalten, und in andere, die sie nicht enthalten. Es war daher interessant, die Anordnung und Verteilung von Atmungskettenkomplexen zu untersuchen, die den Protonengradienten erzeugen, der die ATP-Produktion antreibt. Bereits vor mehr als 10 Jahren haben wir eine Untersuchung des Respirasoms initiiert, einer supramolekularen Anordnung der Komplexe I, III und IV in der mitochondrialen Atmungskette. Wir isolierten das Rinder-Respirasom und untersuchten seine Struktur in negativer Färbung (Schäfer et al., Biochemistry 2007) und durch cryoEM (Althoff et al., EMBO J 2011). Die zu diesem Zeitpunkt erreichte Auflösung betrug etwa 20-30 Å. Nach der Einführung direkter Elektronendetektoren haben wir das Projekt erneut gestartet, um die Struktur des Respirasoms mit hoher Auflösung durch Single-Particle-KryoEM zu bestimmen.

Das Rinder-Respirasom

Unsere aktuelle EM-Map des Rinder-Respirasoms bei einer Auflösung von 9 Å zeigte definierte Protein-Protein-Kontakte zwischen Komplex I, III und IV im Inneren der hydrophoben Membran und an der Membranoberfläche. Die Hauptkontakte werden durch überzählige Untereinheiten von Komplex I vermittelt. Von den beiden Rieske-Eisen-Schwefel-Clusterdomänen im Komplex III-Dimer wurde nur eine aufgelöst, was darauf hinweist, dass diese Domäne unbeweglich ist und daher keine Elektronen übertragen kann. Daher ist das Komplex-III-Monomer, mit dem es interagiert, inaktiv, während die andere FeS-Domäne nicht aufgelöst ist, daher mobil ist und das entsprechende Monomer aktiv ist. Die zentrale Position des aktiven Komplex III-Monomers zwischen Komplex I und IV ist optimal, um reduziertes Chinol aus Komplex I über einen kurzen Diffusionsabstand von 11 nm aufzunehmen und reduziertes Cytochrom c an Komplex IV abzugeben. Die funktionelle Asymmetrie von Komplex III liefert starke Hinweise auf einen gerichteten Elektronenfluss von Komplex I zu Komplex IV durch das aktive Komplex III-Monomer im Säuger-Respirasom (Sousa Simoes et al., ELife 2016).

Unsere ursprüngliche CryoEM-Studie des Rindersuperkomplexes (Althoff et al., EMBO J 2011) war die erste Anwendung von Amphipolen zur Solubilisierung von Membranproteinkomplexen für Single-Particle-CryoEM. Seitdem haben andere Gruppen diesen Ansatz sehr erfolgreich für ihre hochauflösende CryoEM-Arbeit an Membranproteinkomplexen übernommen (siehe Cao et al., Nature 2013; Bai et al., Nature 2015).

Abbildung. Single-Particle-KryoEM-Struktur des mitochondrialen Rinder-Respirasoms.

(A) Seitenansicht und (B) Matrixansicht der 9 Å-Karte von Supercompex I1 III2 IV1 (dem Respirasom) aus Rinderherzmitochondrien mit angepassten Atommodellen von Komponentenkomplexen. (C, D) Nur Atommodelle. Blau, Komplex I; grünes Komplex-III-Dimer; gelbes Komplex IV-Monomer. Schwarze Linien zeigen die Lipiddoppelschicht an. (E) Die überzählige Untereinheit B14.7 (dunkelblau) des Rinderkomplexes I (hellblau) vermittelt enge Kontakte zur Untereinheit 8 (oliv) des aktiven Komplex III-Monomers. (F) Lumenansicht der superkomplexen Anordnung, farbcodiert wie in (A-D). In den beiden Rieske-Untereinheiten des Komplex-III-Dimers wird nur eine Eisen-Schwefel-Domäne aufgelöst (rot). Durchgezogene und gestrichelte Pfeile geben die ungefähren Diffusionsabstände des reduzierten Chinols von der Stelle, an der es aus Komplex I freigesetzt wird, zu den Chinolbindungsstellen im aktiven (11 nm) oder inaktiven (18 nm) Komplex III-Monomer (von Sousa Simoes et al., eLife 2016).
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