ZmPUMP encodes a fully functional monocot plant uncoupling mitochondrial protein whose affinity to fatty acid is increased with the introduction of a His pair at the second matrix loop

Uncoupling proteins (UCPs) are specialized mitochondrial transporter proteins that uncouple respiration from ATP synthesis. In this study, cDNA encoding maize uncoupling protein (ZmPUMP) was expressed in Escherichia coli and recombinant ZmPUMP reconstituted in liposomes. ZmPUMP activity was associated with a linoleic acid (LA)-mediated H+ efflux with Km of 56.36 ± 0.27 μM and Vmax of 66.9 μmol H+ min-1 (mg prot)-1. LA-mediated H+ fluxes were sensitive to ATP inhibition with Ki of 2.61 ± 0.36 mM (at pH 7.2), a value similar to those for dicot UCPs. ZmPUMP was also used to investigate the importance of a histidine pair present in the second matrix loop of mammalian UCP1 and absent in plant UCPs. ZmPUMP with introduced His pair (Lys155His and Ala157His) displayed a 1.55-fold increase in LA-affinity while its activity remained unchanged. Our data indicate conserved properties of plant UCPs and suggest an enhancing but not essential role of the histidine pair in proton transport mechanism. © 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

The Mode of Action of Recombinant Mycobacterium tuberculosis Shikimate Kinase: Kinetics and Thermodynamics Analyses

Tuberculosis remains as one of the main cause of mortality worldwide due to a single infectious agent, Mycobacterium tuberculosis. The aroK-encoded M. tuberculosis Shikimate Kinase (MtSK), shown to be essential for survival of bacilli, catalyzes the phosphoryl transfer from ATP to the carbon-3 hydroxyl group of shikimate (SKH), yielding shikimate-3-phosphate and ADP. Here we present purification to homogeneity, and oligomeric state determination of recombinant MtSK. Biochemical and biophysical data suggest that the chemical reaction catalyzed by monomeric MtSK follows a rapid-equilibrium random order of substrate binding, and ordered product release. Isothermal titration calorimetry (ITC) for binding of ligands to MtSK provided thermodynamic signatures of non-covalent interactions to each process. A comparison of steady-state kinetics parameters and equilibrium dissociation constant value determined by ITC showed that ATP binding does not increase the affinity of MtSK for SKH. We suggest that MtSK would more appropriately be described as an aroL-encoded type II shikimate kinase. Our manuscript also gives thermodynamic description of SKH binding to MtSK and data for the number of protons exchanged during this bimolecular interaction. The negative value for the change in constant pressure heat capacity (ΔCp) and molecular homology model building suggest a pronounced contribution of desolvation of non-polar groups upon binary complex formation. Thermodynamic parameters were deconvoluted into hydrophobic and vibrational contributions upon MtSK:SKH binary complex formation. Data for the number of protons exchanged during this bimolecular interaction are interpreted in light of a structural model to try to propose the likely amino acid side chains that are the proton donors to bulk solvent following MtSK:SKH complex formation. © 2013 Rosado et al.

Untersuchung der Strukturdynamik arbeitender F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus in Einzelschußexperimenten mit Synchrotronstrahlung

ZusammenfassungDie ATP-Synthase koppelt im Energiestoffwechsel der Zellen den Protonentransport über die biologische Membran mit der Synthese des energiespeichernden Moleküls ATP aus ADP und Phosphat. ATP-Synthasen bestehen aus 2 Subkomplexen, wobei der katalytische F1-Teil von der membranständigen Domäne abgelöst werden kann und nur zur ATP-Hydrolyse fähig ist. Der hochkooperative Reaktionsmechanismus der dreizentrigen ATP-Synthasen ist weitgehend unklar.Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ATP-Synthasekomplex und ihr wasserlösliches katalytisches F1-Fragment aus Micrococcus luteus in präparativem Maßstab mittels chromatographischer Trennmethoden isoliert. Die Überprüfung der Funktionalität beider Enzyme erfolgte mit enzymatischen Methoden. Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung wurde die Strukturdynamik der arbeitenden ATP-Synthase und ihres F1-Fragmentes aus Micrococcus luteus im Laufe des ATP-Hydrolysezyklus untersucht. Diese Methode diente zum Nachweis weiträumiger Konformationsänderungen innerhalb der arbeitenden Enzyme unter nativen physiologischen Bedingungen. Die zeitaufgelösten Streuexperimente fanden an der ESRF (Europäische Synchrotronstrahlungsquelle) in Grenoble (F) statt. Dort wurden für beide Enzyme im Laufe des ATP-Hydrolysezykus molekulare Bewegungen nachgewiesen. Als Referenz zu den zeitaufgelösten Messungen dienten statische Messungen zur Strukturuntersuchung der Proteine am schwächeren DESY. Anhand dieser Strukturdaten wurden Molekülmodelle der F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus konstruiert. Das Molekülmodell der F1-ATPase war die Grundlage zur Modellierung einzelner Teilschritte des ATP-Hydrolysezyklus bei 20°C. Die experimentellen Daten wurden mit einer Kippbewegung der membranseitigen Domäne der katalytischen b-Untereinheiten der F1-ATPase während des ATP-Hydrolysezyklus interpretiert.

Wasserfreie, polymere Protonenleiter für Brennstoffzellen durch Immobilisierung von Imidazol

Es werden neuartige, polymere Protonenleiter vorgestellt die nach dem 'Konzept des polymergebunden Protonensolvens' realisiert wurden. Sie zeigen protonische Leitfähigkeit als intrinsische Eigenschaft, sodass keine zweite, flüssige Phase zur Protonenleitung nötig ist. Verwirklicht wurde das Konzept anhand von kammartigen Siloxanoligomeren und -polymeren, wobei Imidazol als Protonensolvens durch flexible Spacer kovalent an das Rückgrat gebunden ist. Durch Pfropfung mit imidazoltragenden Spacereinheiten wurden ferner Kieselgelnanopartikel oberflächenmodifiziert. Um die Auswirkungen der Immobilisierung von Imidazol auf die Leitfähigkeit zu untersuchen, wurden neben unterschiedlichen Molekulargewichten, die Verbindungen auch jeweils mit verschiedenen Spacerlängen synthetisiert. Die Materialien wurden umfassend charakterisiert und auf ihr thermisches Verhalten, Stabilität, Leitfähigkeit, Diffusion und dielektrisches Verhalten sowie auch nach Dotierung mit Säure untersucht. Thermisch stabil sind die Materialien bis ca. 200°C. Die Leitfähigkeiten betragen bis zu 1,5E-3 S/cm bei 160°C, welche aufgrund der Immobilisierung des Imidazols ausschließlich auf Strukturdiffusion zurückzuführen sind. Die Strukturdiffusion ist vergleichbar mit dem Grotthus-Mechanismus in Wasser und wird durch die lokale Mobilität der Imidazolmoleküle, d.h. durch die Glasübergangstemperatur des Systems bestimmt. Entsprechend wird das für Glasbildner typische Vogel-Tamman-Fulcher-Verhalten für alle untersuchten Transportprozesse gefunden. Die mit abnehmender Glasübergangstemperatur abnehmende mechanische Stabilität der Materialien kann, wie gezeigt ist, durch Compoundierung mit Kieselgelnanopartikeln entscheidend verbessert werden, was eine kostengünstige und aussichtsreiche Möglichkeit zur Herstellung von Membranen für Brennstoffzellen darstellt.

Wasserfreie Protonenleiter für Brennstoffzellen auf der Basis von Imidazol und Benzimidazol

Mit Hilfe von Brennstoffzellen wird eine effiziente Energieumwandlung von chemischer in elektrische Energie möglich. Die kommerziellen PEM-Brennstoffzellen benutzen Membra-nen, die zum Erreichen hoher Leitfähigkeiten eine wässrige Phase erfordern, in der der Proto-nentransport stattfindet. Somit wird die Betriebstemperatur durch den Siedepunkt des Wassers limitiert. Die verwendeten Pt-Katalysatoren zeigen bei niedrigen Temperaturen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber CO, dass im Reformierungsprozess bei der Erzeugung von Was-serstoff entsteht. Austausch der wässrigen Phase gegen Heterozyklen, die ein zu Wasser ver-gleichbares Wasserstoffbrückennetzwerk aufbauen, in dem der Protonentransport stattfinden kann, ermöglicht eine höhere Betriebstemperatur. Durch das im Laufe des Brennstoffzellen-betriebs gebildete Wasser, können die Heterozyklen verdünnt bzw. komplett aus der Memb-ran ausgewaschen werden. Daher ist es erforderlich, die Ladungsträger an ein Polymerrück-grat zu binden, so dass sie eine hohe Beweglichkeit und Konzentration, die denen in der flüs-sigen Phase einer konventionellen Membran entsprechen, aufweisen. Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von Protonenleitern, die ohne eine flüssige Phase auskommen, da sie bereits protonische Leitfähigkeit als intrinsische Ei-genschaft zeigen. Es wurden verschiedene imidazol- bzw. benzimidazolhaltige Dimere und Polythiophene, in denen Benzimidazol in der Seitenkette über verschieden flexible Spacer mit dem Polymerrückgrat verbunden ist, synthetisiert. Die Materialien wurden in undotierten Zu-stand und nach Dotierung mit geringen Mengen Phosphorsäure umfassend charakterisiert und auf thermisches Verhalten, Stabilität und Leitfähigkeit untersucht. Die benzimidazolhaltigen Dimere weisen mit 250 °C die höchsten Zersetzungstemperaturen auf. Mit zunehmender Temperatur kann in allen Fällen eine Erhöhung der Leitfähigkeit beobachtet werden, die sich in der Arrhenius-Auftragung durch eine Gerade anpassen lässt, somit kann der Protonentrans-port durch einen Protonen-hüpfmechanismus beschrieben werden. Die höchste beobachtete Leitfähigkeit liegt im Bereich von 10-6 S/cm bei 160 °C. Durch Zusatz von Phosphorsäure kann die Leitfähigkeit z.T. um einige Größenordnungen gesteigert werden. Eine Ausnahme bilden die Polythiophene, die sowohl protonische als auch elektronische Leitfähigkeit besit-zen. Hier führt die Säure zu einer Lokalisierung der Ladungsträger, so dass die elektronische Leitfähigkeit eingeschränkt wird.

Ionenleitfähigkeit in polymeren Matrizes – Synthese, Charakterisierung und Untersuchung dynamischer Prozesse von neuen Lithium- und Protonenleitern

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese, physikochemischen und polymerspezifischen Charakterisierung und insbesondere der impedanzspektroskopischen Untersuchung von sowohl neuartigen, solvensfreien lithiumionen- als auch protonenleitfähigen Polymermaterialien für potentielle Anwendungen in sekundären Lithiumionenbatterien bzw. in Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl.: proton exchange membrane fuel cell, auch: polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC). Beiden Typen von ionenleitfähigen Membranen liegt das gängige Prinzip der chemischen Anbindung einer für den Ionentransport verantwortlichen Seitengruppe an eine geeignete Polymerhauptkette zugrunde („Entkopplung“; auch Immobilisierung), welcher hinsichtlich Glasübergangstemperatur (Tg), elektrochemischer und thermischer Stabilität (Td) eine dynamisch entkoppelte, aber nicht minder bedeutsame Rolle zukommt. Die Transportaktivierung erfolgt in beiden Fällen thermisch. Im Falle der Protonenleiter liegt die zusätzliche Intention darin, eine Alternative aufzuzeigen, in der die Polymerhauptkette gekoppelt direkt am Protonentransportmechanismus beteiligt ist, d.h., dass der translatorisch diffusive Ionentransport entlang der Hauptkette stattfindet und nicht zwischen benachbarten Seitenketten. Ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt sowohl bei den lithiumionen- als auch den protonenleitfähigen Polymermembranen auf temperaturabhängigen dynamischen Prozessen der jeweiligen Ionenspezies in der polymeren Matrix, was die Ionenleitfähigkeit selbst, Relaxationsphänomene, die translatorische Ionendiffusion und im Falle der Protonenleiter etwaige mesomere Grenzstrukturübergänge umfasst. Lithiumionenleiter: Poly(meth)acrylate mit (2-Oxo-1,3-dioxolan)resten (Cyclocarbonat-) in der Seitenkette unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2-oxo-[1,3]dioxolan-4-yl)methylacrylat (PDOA): Lithium-bis-trifluormethansulfonimid (LiTFSI) (10:3) ca. 10^-3,5 S cm^-1 bei 150 °C. Weichmachen (Dotieren) mit äquimolaren Mengen an Propylencarbonat (PC) bewirkt in allen Fällen einen enormen Anstieg der Leitfähigkeit. Die höchsten Leitfähigkeiten von Mischungen dieser Polymere mit LiTFSI (und LiBOB) werden nicht beim System mit der niedrigsten Tg gefunden. Auch dient Tg nicht als Referenztemperatur (Tref) nach Williams-Landel-Ferry (WLF), so dass eine WLF-Anpassung der Leitfähigkeitsdaten nur über einen modifizierten WLF-Algorithmus gelingt. Die ermittelten Tref liegen deutlich unterhalb von Tg bei Temperaturen, die charakteristisch für die Seitenkettenrelaxation sind („Einfrieren“). Dies legt nahe, dass der Relaxation der Seitenketten eine entscheidende Rolle im Li^+-Leitfähigkeitsmechanismus zukommt. Die Li^+-Überführungszahlen tLi^+ in diesen Systemen schwanken zwischen 0,13 (40 °C) und 0,55 (160 °C). Protonenleiter: Polymere mit Barbitursäure- bzw. Hypoxanthinresten in der Seitenkette und Polyalkylenbiguanide unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2,4,6(1H,3H,5H)-trioxopyrimidin-5-yl)methacrylat (PTPMA) maximal ca. 10^-4,4 S cm^-1 bei 140 °C. Höhere Leitfähigkeiten sind nur durch Mischen mit aprotischen Lösungsmitteln erreichbar. Die höchste Leitfähigkeit wird im Falle der Polyalkylenbiguanide bei Polyethylenbiguanid (PEB) erzielt. Sie erreicht 10^-2,4 S cm^-1 bei 190 °C. Die Aktivierungsenergien EA der Polyalkylenbiguanide liegen (jeweils unterhalb von Tg) zwischen ca. 3 – 6 kJ mol^-1. In allen beobachteten Fällen dient Tg als Tref, so dass eine konventionelle WLF-Behandlung möglich ist und davon auszugehen ist, dass die Leitfähigkeit mit dem freien Volumen Vf korreliert.

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

Subunit rotation in Escherichia coli FoF1–ATP synthase during oxidative phosphorylation

We report evidence for proton-driven subunit rotation in membrane-bound FoF1–ATP synthase during oxidative phosphorylation. A βD380C/γC87 crosslinked hybrid F1 having epitope-tagged βD380C subunits (βflag) exclusively in the two noncrosslinked positions was bound to Fo in F1-depleted membranes. After reduction of the β–γ crosslink, a brief exposure to conditions for ATP synthesis followed by reoxidation resulted in a significant amount of βflag appearing in the β–γ crosslinked product. Such a reorientation of γC87 relative to the three β subunits can only occur through subunit rotation. Rotation was inhibited when proton transport through Fo was blocked or when ADP and Pi were omitted. These results establish FoF1 as the second example in nature where proton transport is coupled to subunit rotation.

A local electrostatic change is the cause of the large-scale protein conformation shift in bacteriorhodopsin

During light-driven proton transport bacteriorhodopsin shuttles between two protein conformations. A large-scale structural change similar to that in the photochemical cycle is produced in the D85N mutant upon raising the pH, even without illumination. We report here that (i) the pKa values for the change in crystallographic parameters and for deprotonation of the retinal Schiff base are the same, (ii) the retinal isomeric configuration is nearly unaffected by the protein conformation, and (iii) preventing rotation of the C13—C14 double bond by replacing the retinal with an all-trans locked analogue makes little difference to the Schiff base pKa. We conclude that the direct cause of the conformational shift is destabilization of the structure upon loss of interaction of the positively charged Schiff base with anionic residues that form its counter-ion.

Electrophysiological characterization of specific interactions between bacterial sensory rhodopsins and their transducers

The halobacterial phototaxis receptors sensory rhodopsin I and II (SRI, SRII) enable the bacteria to seek optimal light conditions for ion pumping by bacteriorhodopsin and/or halorhodopsin. The incoming signal is transferred across the plasma membrane by means of receptor-specific transducer proteins that bind tightly to their corresponding photoreceptors. To investigate the receptor/transducer interaction, advantage is taken of the observation that both SRI and SRII can function as proton pumps. SRI from Halobacterium salinarum, which triggers the positive phototaxis, the photophobic receptor SRII from Natronobacterium pharaonis (pSRII), as well as the mutant pSRII-F86D were expressed in Xenopus oocytes. Voltage-clamp studies confirm that SRI and pSRII function as light-driven, outwardly directed proton pumps with a much stronger voltage dependence than the ion pumps bacteriorhodopsin and halorhodopsin. Coexpression of SRI and pSRII-F86D with their corresponding transducers suppresses the proton transport, revealing a tight binding and specific interaction of the two proteins. These latter results may be exploited to further analyze the binding interaction of the photoreceptors with their downstream effectors.

Tight Asp-85–Thr-89 association during the pump switch of bacteriorhodopsin

Unidirectional proton transport in bacteriorhodopsin is enforced by the switching machinery of the active site. Threonine 89 is located in this region, with its O—H group forming a hydrogen bond with Asp-85, the acceptor for proton transfer from the Schiff base of the retinal chromophore. Previous IR spectroscopy of [3-18O]threonine-labeled bacteriorhodopsin showed that the hydrogen bond of the O—D group of Thr-89 in D2O is strengthened in the K photocycle intermediate. Here, we show that the strength and orientation of this hydrogen bond remains unchanged in the L intermediate and through the M intermediate. Furthermore, a strong interaction between Asp-85 and the O—H (O—D) group of Thr-89 in M is indicated by a shift in the C⩵O stretching vibration of the former because of 18O substitution in the latter. Thus, the strong hydrogen bond between Asp-85 and Thr-89 in K persists through M, contrary to structural models based on x-ray crystallography of the photocycle intermediates. We propose that, upon photoisomerization of the chromophore, Thr-89 forms a tight, persistent complex with one of the side-chain oxygens of Asp-85 and is thereby precluded from participating in the switching process. On the other hand, the loss of hydrogen bonding at the other oxygen of Asp-85 in M may be related to the switching event.

Energy-driven subunit rotation at the interface between subunit a and the c oligomer in the FO sector of Escherichia coli ATP synthase

Subunit rotation within the F1 catalytic sector of the ATP synthase has been well documented, identifying the synthase as the smallest known rotary motor. In the membrane-embedded FO sector, it is thought that proton transport occurs at a rotor/stator interface between the oligomeric ring of c subunits (rotor) and the single-copy a subunit (stator). Here we report evidence for an energy-dependent rotation at this interface. FOF1 was expressed with a pair of substituted cysteines positioned to allow an intersubunit disulfide crosslink between subunit a and a c subunit [aN214C/cM65C; Jiang, W. & Fillingame, R. H. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 6607–6612]. Membranes were treated with N,N′-dicyclohexyl-[14C]carbodiimide to radiolabel the D61 residue on less than 20% of the c subunits. After oxidation to form an a–c crosslink, the c subunit properly aligned to crosslink to subunit a was found to contain very little 14C label relative to other members of the c ring. However, exposure to MgATP before oxidation significantly increased the radiolabel in the a–c crosslink, indicating that a different c subunit was now aligned with subunit a. This increase was not induced by exposure to MgADP/Pi. Furthermore, preincubation with MgADP and azide to inhibit F1 or with high concentrations of N,N′-dicyclohexylcarbodiimide to label most c subunits prevented the ATP effect. These results provide evidence for an energy-dependent rotation of the c ring relative to subunit a.

Protonation dynamics of the extracellular and cytoplasmic surface of bacteriorhodopsin in the purple membrane.

The dynamics of proton binding to the extracellular and the cytoplasmic surfaces of the purple membrane were measured by laser-induced proton pulses. Purple membranes, selectively labeled by fluorescein at Lys-129 of bacteriorhodopsin, were pulsed by protons released in the aqueous bulk from excited pyranine (8-hydroxy-1,3,6-pyrenetrisulfonate) and the reaction of protons with the indicators was measured. Kinetic analysis of the data imply that the two faces of the membrane differ in their buffer capacities and in their rates of interaction with bulk protons. The extracellular surface of the purple membrane contains one anionic proton binding site per protein molecule with pK = 5.1. This site is within a Coulomb cage radius (approximately 15 A) from Lys-129. The cytoplasmic surface of the purple membrane bears 4-5 protonable moieties (pK = 5.1) that, due to close proximity, function as a common proton binding site. The reaction of the proton with this cluster is at a very fast rate (3.10(10) M-1.s-1). The proximity between the elements is sufficiently high that even in 100 mM NaCl they still function as a cluster. Extraction of the chromophore retinal from the protein has a marked effect on the carboxylates of the cytoplasmic surface, and two to three of them assume positions that almost bar their reaction with bulk protons. The protonation dynamics determined at the surface of the purple membrane is of relevance both for the vectorial proton transport mechanism of bacteriorhodopsin and for energy coupling, not only in halobacteria, but also in complex chemiosmotic systems such as mitochondrial and thylakoid membranes.

Molecular mechanism of protein-retinal coupling in bacteriorhodopsin.

Bacteriorhodopsin is a membrane protein that functions as a light-driven proton pump. Each cycle of proton transport is initiated by the light-induced isomerization of retinal from the all-trans to 13-cis configuration and is completed by the protein-driven reisomerization of retinal to the all-trans configuration. Previous studies have shown that replacement of Leu-93, a residue in close proximity to the 13-methyl group of retinal, by alanine, resulted in a 250-fold increase in the time required to complete each photocycle. Here, we show that the kinetic defect in the photocycle of the Leu-93-->Ala mutant occurs at a stage after the completion of proton transport and can be overcome in the presence of strong background illumination. Time-resolved retinal-extraction experiments demonstrate the continued presence of a 13-cis intermediate in the photocycle of the Leu-93-->Ala mutant well after the completion of proton release and uptake. These results indicate that retinal reisomerization is kinetically the rate-limiting step in the photocycle of this mutant and that the slow thermal reisomerization can be bypassed by the absorption of a second photon. The effects observed for the Leu-93-->Ala mutant are not observed upon replacement of any other residue in van der Waals contact with retinal or upon replacement of Leu-93 by valine. We conclude that the contact between Leu-93 and the 13-methyl group of retinal plays a key role in controlling the rate of protein conformational changes associated with retinal reisomerization and return of the protein to the initial state.

Characterization of titanium phosphate as electrolytes in fuel cells

Titanium phosphate is currently a promising material for proton exchange membrane fuel cells applications (PEMFC) allowing for operation at high temperature conditions. In this work, titanium phosphate was synthesized from tetra iso-propoxide (TTIP) and orthophosphoric acid (H3PO4) in different ratios by a sol gel method. High BET surface areas of 271 m(2).g(-1) were obtained for equimolar Ti:P samples whilst reduced surface areas were observed by varying the molar ratio either way. Highest proton conductivity of 5.4 x 10(-2) S.cm(-1) was measured at 20 degrees C and 93% relative humidity (RH). However, no correlation was observed between surface area and proton conductivity. High proton conductivity was directly attributed to hydrogen bonding in P-OH groups and the water molecules retained in the sample structure. The proton conductivity increased with relative humidity, indicating that the Grotthuss mechanism governed proton transport. Further, sample Ti/P with 1:9 molar ratio showed proton conductivity in the order of 10(-1) S.cm(-1) (5% RH) and similar to 1.6x10(-2) S.cm(-1) (anhydrous condition) at 200 degrees C. These proton conductivities were mainly attributed to excess acid locked into the functionalized TiP structure, thus forming ionisable protons.