Studies on metal complex formation of environmentally friendly aminopolycarboxylate chelating agents

Aminopolykarboksyylaatteja, kuten etyleenidiamiinitetraetikkahappoa (EDTA), on käytetty useiden vuosikymmenien ajan erinomaisen metalli-ionien sitomiskyvyn vuoksi kelatointiaineena lukuisissa sovelluksissa sekä analytiikassa että monilla teollisisuuden aloilla. Näiden yhdisteiden biohajoamattomuus on kuitenkin herättänyt huolta viime aikoina, sillä niiden on havaittu olevan hyvin pysyviä luonnossa. Tämä työ on osa laajempaa tutkimushanketta, jossa on tavoitteena löytää korvaavia kelatointiaineita EDTA:lle. Tutkimuksen aiheena on kuuden kelatointiaineen metalli-ionien sitomiskyvyn kartoitus. EDTA:a paremmin luonnossa hajoavina nämä ovat ympäristöystävällisiä ehdokkaita korvaaviksi kelatointiaineiksi useisiin sovelluksiin. Työssä tutkittiin niiden kompleksinmuodostusta useiden metalli-ionien kanssa potentiometrisella titrauksella. Metalli-ionivalikoima vaihteli hieman kelatointiaineesta riippuen sisältäen magnesium-, kalsium-, mangaani-, rauta-, kupari-, sinkki-, kadmium-, elohopea-, lyijy- ja lantaani-ionit. Tutkittavat metallit oli valittu tähtäimessä olevien sovellusten, synteesissä ilmenneiden ongelmien tai ympäristönäkökohtien perusteella. Tulokset osoittavat näiden yhdisteiden metallinsitomiskyvyn olevan jonkin verran heikompi kuin EDTA:lla, mutta kuitenkin riittävän useisiin sovelluksiin kuten sellunvalkaisuprosessiin. Myrkyllisten raskasmetallien, kadmiumin, elohopen ja lyijyn kohdalla EDTA:a heikompi sitoutuminen on eduksikin, koska se yhdistettynä parempaan biohajoavuuteen saattaa alentaa tutkittujen yhdisteiden kykyä mobilisoida kyseisiä metalleja sedimenteistä. Useimmilla tutkituista yhdisteistä on ympäristönäkökulmasta etuna myös EDTA:a pienempi typpipitoisuus.

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.