Electron and proton transfer in NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex I) from Escherichia coli

Cells of every living organism on our planet − bacterium, plant or animal − are organized in such a way that despite differences in structure and function they utilize the same metabolic energy represented by electrochemical proton gradient across a membrane. This gradient of protons is generated by the series of membrane bound multisubunit proteins, Complex I, II, III and IV, organized in so-called respiratory or electron transport chain. In the eukaryotic cell it locates in the inner mitochondrial membrane while in the bacterial cell it locates in the cytoplasmic membrane. The function of the respiratory chain is to accept electrons from NADH and ubiquinol and transfer them to oxygen resulting in the formation of water. The free energy released upon these redox reactions is converted by respiratory enzymes into an electrochemical proton gradient, which is used for synthesis of ATP as well as for many other energy dependent processes. This thesis is focused on studies of the first member of the respiratory chain − NADH:ubiquinone oxidoreductase or Complex I. This enzyme has a boot-shape structure with hydrophilic and hydrophobic domains, the former of which has all redox groups of the protein, the flavin and eight to nine iron-sulfur clusters. Complex I serves as a proton pump coupling transfer of two electrons from NADH to ubiquinone to the translocation of four protons across the membrane. So far the mechanism of energy transduction by Complex I is unknown. In the present study we applied a set of different methods to study the electron and proton transfer reactions in Complex I from Escherichia coli. The main achievement was the experiment that showed that the electron transfer through the hydrophilic domain of Complex I is unlikely to be coupled to proton transfer directly or to conformational changes in the protein. In this work for the first time properties of all redox centers of Complex I were characterized in the intact purified bacterial enzyme. We also probed the role of several conserved amino acid residues in the electron transfer of Complex I. Finally, we found that highly conserved amino acid residues in several membrane subunits form a common pattern with a very prominent feature – the presence of a few lysines within the membrane. Based on the experimental data, we suggested a tentative principle which may govern the redox-coupled proton pumping in Complex I.

Kaikkien planeetallamme elollisten olentojen – bakteerien, kasvien sekä eläinten – solut käyttävät samaa metabolisen energian perusmuotoa, kalvon yli muodostettavaa elektrokemiallista protonigradienttia. Tämän protonigradientin saa aikaan sarja monista alayksiköistä koostuvia kalvoproteiineja (kompleksit I, II, III ja IV), jotka ovat järjestäytyneet niin sanotuksi hengitys- tai elektroninsiirtoketjuksi. Eukaryoottisolussa entsyymit sijaitsevat mitokondrion sisemmässä kalvossa, kun taas bakteereissa ne löytyvät solukalvosta. Hengitysketjun tarkoitus on vastaanottaa elektroneita NADH:lta ja ubikinolilta sekä siirtää ne edelleen happelle muodostaen samalla vettä. Hengitysketjun entsyymit muuntavat näissä hapetus-pelkistysreaktioista vapautuvan energian sähkökemialliseksi protonigradientiksi, jota käytetään ATP synteesissä, ja myös lukuisissa muissa energiaa vaativissa prosesseissa. Tämä väitöskirja keskittyy hengitysketjun ensimmäisen entsyymin, NADH:ubikonini oksidoreduktaasin eli kompleksi I:n, tutkimiseen. Tällä entsyymillä on L-kirjaimen muotoinen rakenne, jossa vesiliukoinen osa on kiinnittyneenä kalvossa sijaitsevan osan toiseen päähän. Hydrofiilisessä osassa sijaitsevat entsyymin kaikki hapetus-pelkistyskeskukset, flaviinimolekyyli ja kahdeksasta yhdeksään rauta-rikkikeskusta. Kompleksi I toimii protonipumppuna yhdistäen kahden elektronin siirron NADH:lta ubikinonille neljän protonin pumppaamiseen kalvon yli. Toistaiseksi kompleksi I:n toimintamekanismi on vielä tuntematon. Tässä tutkimuksessa käytimme erilaisten menetelmien yhdistelmää tutkiaksemme elektronin- ja protoninsiirto reaktioita Escherichia coli:sta eristetyssä kompleksi I:ssä. Keskeisin saavutus oli osoitus, että elektroninsiirto kompleksi I:n hydrofiilisen domeeni läpi ei näytä kytkeytyvän suoraan eikä välillisesti konformaation muutoksen avulla protoninsiirtoon. Ensimmäistä kertaa kaikkien kompleksi I:n hapetus-pelkistyskeskusten ominaisuudet kartoitettiin bakteerista eristetyssä entsyymissä. Tutkimme myös useiden vakioisten aminohappotähteiden merkitystä kompleksi I:n elektroninsiirrossa. Lisäksi havaitsimme vakioisten aminohappojen muodostaman toistuvat mallin useissa kalvon läpäisevissä alayksiköissä. Keskeisin havainto mallissa on kalvon sisällä sijaitsevat lysiini aminohapot. Kokeellisten tulosten perusteella esitimme hypoteesin kompleksi I:n toimintaperiaatteesta.