926 resultados para ATR, IR-Spectroscopy, 2D-IR, Cytochrome c Oxidase, SEIRAS
Resumo:
Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.
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The monolayer of cytochrome c oxidase maintaining physiological activity and attached covalently to the self-assembled monolayers of 3-mercaptopropionic acid (MPA) on a gold electrode was obtained. The results of cyclic voltammetry show that direct electron transfer between cytochrome c oxidase and the electrode surface is a fast and diffusionless process. MPA has a dual role as both electrode modifier and the bridging molecule which: keeps cytochrome c oxidase at an appropriate orientation without denaturation and enables direct electron transfer between the protein and the modified electrode. Immobilized cytochrome c oxidase exhibits biphasic phenomena between the concentration of the electrolyte and the normal potentials; meanwhile its electrochemical behavior is also influenced by the buffer components. The quasi-reversible electron transfer process of cytochrome c oxidase with formal potential 385 mV vs. SHE in 5mM phosphate buffer solution (pH 6.4) corresponds to the redox reaction of cyt a(3) in cytochrome c oxidase, and the heterogeneous electron transfer rate constant obtained is 1.56 s(-1). By cyclic voltammetry measurements, it was observed that oxidation and reduction of cytochrome c in solution were catalyzed by the immobilized cytochrome c oxidase. This cytochrome c oxidase/MPA/Au system provides a good mimetic model to study the physiological functions of membrane-associated enzymes and hopefully to build a third-generation biosensor without using a mediator.
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In study of gene expression profile in cloned embryos which derived from D. rerio embryonic nuclei and G. rarus enucleated eggs, cytochrome c oxidase subunit I (COXI) of G. rarus, exhibiting difference at expression level between cloned embryos and zebrafish embryo, was cloned. Its full cDNA length is 1654 bp and contains a 1551 bp open reading frame, encoding a 5.64 kDa protein of 516 amino acids. The alignment result shows that mitochondrion tRNA(ser) is co-transcripted with COXI, which just was the 3'-UTR of COXI. Molecular phylogenic analysis based on COXI indicates G. rarus should belong to Gobioninae, which was not in agreement with previous study according to morphological taxonomy. Comparison of DNA with cDNA shows that RNA editing phenomenon does not occur in the COXI of G. rarus.
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Die optische Eigenschaften sowie der Oberflächenverstärkungseffekt von rauen Metalloberflächen sowie Nanopartikeln wurden intensiv für den infraroten Bereich des Spektrums in der Literatur diskutiert. Für die Präparation solcher Oberflächen gibt es prinzipiell zwei verschiedene Strategien, zum einen können die Nanopartikel zuerst ex-situ synthetisiert werden, der zweite Ansatz beruht darauf, dass die Nanopartikel in-situ hergestellt und aufgewachsen werden. Hierbei wurden beide Ansätze ausgetestet, dabei stellte sich heraus, dass man nur mittels der in-situ Synthese der Goldnanopartikel in der Lage ist nanostrukturierte Oberflächen zu erhalten, welche elektronisch leitfähig sind, nicht zu rau sind, um eine Membranbildung zu ermöglichen und gleichzeitig einen optimalen Oberflächenverstärkungseffekt zeigen. Obwohl keine ideale Form der Nanopartikel mittels der in-situ Synthese erhalten werden können, verhalten sich diese dennoch entsprechend der Theorie des Oberflächenverstärkungseffekts. Optimierungen der Form und Grösse der Nanopartikel führten in dieser Arbeit zu einer Optimierung des Verstärkungseffekts. Solche optimierten Oberflächen konnten einfach reproduziert werden und zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus. Der so erhaltene Oberflächenverstärkungseffekt beträgt absolut 128 verglichen mit dem belegten ATR-Kristall ohne Nanopartikel oder etwa 6 mal, verglichen mit der Oberfläche, die bis jetzt auch in unserer Gruppe verwendet wurde. Daher können nun Spektren erhalten werden, welche ein deutlich besseres Signal zu Rauschverhältnis (SNR) aufweisen, was die Auswertung und Bearbeitung der erhaltenen Spektren deutlich vereinfacht und verkürzt.rnNach der Optimierung der verwendeten Metalloberfläche und der verwendeten Messparameter am Beispiel von Cytochrom C wurde nun an der Oberflächenbelegung der deutlich größeren Cytochrom c Oxidase gearbeitet. Hierfür wurde der DTNTA-Linker ex-situ synthetisiert. Anschließend wurden gemischte Monolagen (self assembeld monolayers) aus DTNTA und DTP hergestellt. Die NTA-Funktionalität ist für die Anbindung der CcO mit der his-tag Technologie verantwortlich. Die Kriterien für eine optimale Linkerkonzentration waren die elektrischen Parameter der Schicht vor und nach Rekonstitution in eine Lipidmembran, sowie Elektronentransferraten bestimmt durch elektrochemische Messungen. Erst mit diesem optimierten System, welches zuverlässig und reproduzierbar funktioniert, konnten weitere Messungen an der CcO begonnen werden. Aus elektrochemischen Messungen war bekannt, dass die CcO durch direkten Elektronentransfer unter Sauerstoffsättigung in einen aktivierten Zustand überführt werden kann. Dieser aktivierte Zustand zeichnet sich durch eine Verschiebung der Redoxpotentiale um etwa 400mV gegenüber dem aus Gleichgewichts-Titrationen bekannten Redoxpotential aus. Durch SEIRAS konnte festgestellt werden, dass die Reduktion bzw. Oxidation aller Redoxzentren tatsächlich bei den in der Cyclovoltammetrie gemessenen Potentialen erfolgt. Außerdem ergaben die SEIRA-Spektren, dass durch direkten Elektronentransfer gravierende Konformationsänderungen innerhalb des Proteins stattfinden. rnBisher war man davon ausgegangen, aufgrund des Elektronentransfers mittels Mediatoren, dass nur minimale Konformationsänderungen beteiligt sind. Vor allem konnte erstmaligrnder aktivierte und nicht aktivierte Zustand der Cytochrom c Oxidase spektroskopisch nachweisen werden.rn
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Die transmembrane Potenzialdifferenz Δφm ist direkt mit der katalytischen Aktivität der Cytochrom c Oxidase (CcO) verknüpft. Die CcO ist das terminale Enzym (Komplex IV) in der Atmungskette der Mitochondrien. Das Enzym katalysiert die Reduktion von O2 zu 2 H2O. Dabei werden Elektronen vom natürlichen Substrat Cytochrom c zur CcO übertragen. Der Eleltronentransfer innerhalb der CcO ist an die Protonentranslokation über die Membran gekoppelt. Folglich bildet sich über der inneren Membrane der Mitochondrien eine Differenz in der Protonenkonzentration. Zusätzlich wird eine Potenzialdifferenz Δφm generiert.rnrnDas Transmembranpotenzial Δφm kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie unter Einsatz eines potenzialemfindlichen Farbstoffs gemessen werden. Um quantitative Aussagen aus solchen Untersuchungen ableiten zu können, müssen zuvor Kalibrierungsmessungen am Membransystem durchgeführt werden.rnrnIn dieser Arbeit werden Kalibrierungsmessungen von Δφm in einer Modellmembrane mit inkorporiertem CcO vorgestellt. Dazu wurde ein biomimetisches Membransystem, die Proteinverankerte Doppelschicht (protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM), auf einem transparenten, leitfähigem Substrat (Indiumzinnoxid, ITO) entwickelt. ITO ermöglicht den simultanen Einsatz von elektrochemischen und Fluoreszenz- oder optischen wellenleiterspektroskopischen Methoden. Das Δφm in der ptBLM wurde durch extern angelegte, definierte elektrische Spannungen induziert. rnrnEine dünne Hydrogelschicht wurde als "soft cushion" für die ptBLM auf ITO eingesetzt. Das Polymernetzwerk enthält die NTA Funktionsgruppen zur orientierten Immobilisierung der CcO auf der Oberfläche der Hydrogels mit Hilfe der Ni-NTA Technik. Die ptBLM wurde nach der Immobilisierung der CcO mittels in-situ Dialyse gebildet. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten einen hohen elektrischen Widerstand (≈ 1 MΩ) der ptBLM. Optische Wellenleiterspektren (SPR / OWS) zeigten eine erhöhte Anisotropie des Systems nach der Bildung der Doppellipidschicht. Cyklovoltammetriemessungen von reduziertem Cytochrom c bestätigten die Aktivität der CcO in der Hydrogel-gestützten ptBLM. Das Membranpotenzial in der Hydrogel-gestützten ptBLM, induziert durch definierte elektrische Spannungen, wurde mit Hilfe der ratiometrischen Fluoreszenzspektroskopie gemessen. Referenzmessungen mit einer einfach verankerten Dopplellipidschicht (tBLM) lieferten einen Umrechnungsfaktor zwischen dem ratiometrischen Parameter Rn und dem Membranpotenzial (0,05 / 100 mV). Die Nachweisgrenze für das Membranpotenzial in einer Hydrogel-gestützten ptBLM lag bei ≈ 80 mV. Diese Daten dienen als gute Grundlage für künftige Untersuchungen des selbstgenerierten Δφm der CcO in einer ptBLM.
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The electronic structure and spectrum of several models of the binuclear metal site in soluble CuA domains of cytochrome-c oxidase have been calculated by the use of an extended version of the complete neglect of differential overlap/spectroscopic method. The experimental spectra have two strong transitions of nearly equal intensity around 500 nm and a near-IR transition close to 800 nm. The model that best reproduces these features consists of a dimer of two blue (type 1) copper centers, in which each Cu atom replaces the missing imidazole on the other Cu atom. Thus, both Cu atoms have one cysteine sulfur atom and one imidazole nitrogen atom as ligands, and there are no bridging ligands but a direct Cu-Cu bond. According to the calculations, the two strong bands in the visible region originate from exciton coupling of the dipoles of the two copper monomers, and the near-IR band is a charge-transfer transition between the two Cu atoms. The known amino acid sequence has been used to construct a molecular model of the CuA site by the use of a template and energy minimization. In this model, the two ligand cysteine residues are in one turn of an alpha-helix, whereas one ligand histidine is in a loop following this helix and the other one is in a beta-strand.
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Energy conversion by living organisms is central dogma of bioenergetics. The effectiveness of the energy extraction by aerobic organisms is much greater than by anaerobic ones. In aerobic organisms the final stage of energy conversion occurs in respiratory chain that is located in the inner membrane of mitochondria or cell membrane of some aerobic bacteria. The terminal complex of the respiratory chain is cytochrome c oxidase (CcO) - the subject of this study. The primary function of CcO is to reduce oxygen to water. For this, CcO accepts electrons from a small soluble enzyme cytochrome c from one side of the membrane and protons from another side. Moreover, CcO translocates protons across the membrane. Both oxygen reduction and proton translocation contributes to generation of transmembrane electrochemical gradient that is used for ATP synthesis and different types of work in the cell. Although the structure of CcO is defined with a relatively high atomic resolution (1.8 Å), its function can hardly be elucidated from the structure. The electron transfer route within CcO and its steps are very well defined. Meanwhile, the proton transfer roots were predicted from the site-specific mutagenesis and later proved by X-ray crystallography, however, the more strong proof of the players of the proton translocation machine is still required. In this work we developed new methods to study CcO function based on FTIR (Fourier Transform Infrared) spectroscopy. Mainly with use of these methods we answered several questions that were controversial for many years: [i] the donor of H+ for dioxygen bond splitting was identified and [ii] the protolytic transitions of Glu-278 one of the key amino acid in proton translocation mechanism was shown for the first time.
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Some intermediates in the reduction of O2 to water by cytochrome-c oxidase have been characterized by optical, Raman, and magnetic circular dichroism spectroscopy. The so-called "peroxy" (P) and "ferryl" (F) forms of the enzyme, which have been considered to be intermediates of the oxygen reaction, can be generated when the oxidized enzyme reacts with H2O2, or when the two-electron reduced ("CO mixed-valence") enzyme reacts with O2. The structures as well as the overall redox states of P and F have recently been controversial. We show here, using tris(2,2'-bipyridyl)ruthenium(II) as a photoinducible reductant, that one-electron reduction of P yields F, and that one-electron reduction of F yields the oxidized enzyme. This confirms that the overall redox states of P and F differ from the oxidized enzyme by two and one electron equivalents, respectively. The structures of the P and F states are discussed.
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The specific activity and content of cytochrome oxidase in the rough endoplasmic reticulum--mitochondrion complex are higher than in the mitochondrial fraction. Radiolabelling studies with the use of hepatocytes and isolated microsomal and rough endoplasmic reticulum--mitochondrion fractions, followed by immunoprecipitation with anti-(cytochrome oxidase) antibody, reveal that the nuclear-coded cytoplasmic subunits of cytochrome oxidase are preferentially synthesized in the latter fraction. The results have a bearing on the mechanism of transport of these subunits into mitochondria.
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The biosynthesis of the cytoplasmic subunits of cytochrome oxidase from rat liver has been studied in vitro by translating liver poly (A)-containing RNA in the wheat germ cell-free system and immunoprecipitating the products with anti-cytochrome oxidase antibody. Analysis of the labelled immunoprecipitate on SDS-gels does not reveal the presence of a polyprotein precursor. On the other hand discrete products which are either slightly bigger or closely similar to the mature subunits present in purified cytochrome oxidase have been detected.
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Quantum effects are often of key importance for the function of biological systems at molecular level. Cellular respiration, where energy is extracted from the reduction of molecular oxygen to water, is no exception. In this work, the end station of the electron transport chain in mitochondria, cytochrome c oxidase, is investigated using quantum chemical methodology. Cytochrome c oxidase contains two haems, haem a and haem a3. Haem a3, with its copper companion, CuB, is involved in the final reduction of oxygen into water. This binuclear centre receives the necessary electrons from haem a. Haem a, in turn, receives its electrons from a copper ion pair in the vicinity, called CuA. Density functional theory (DFT) has been used to clarify the charge and spin distributions of haem a, as well as changes in these during redox activity. Upon reduction, the added electron is shown to be evenly distributed over the entire haem structure, important for the accommodation of the prosthetic group within the protein. At the same time, the spin distribution of the open-shell oxidised state is more localised to the central iron. The exact spin density distribution has been disputed in the literature, however, different experiments indicating different distributions of the unpaired electron. The apparent contradiction is shown to be due to the false assumption of a unit amount of unpaired electron density; in fact, the oxidised state has about 1.3 unpaired electrons. The validity of the DFT results have been corroborated by wave function based coupled cluster calculations. Point charges, for use in classical force field based simulations, have been parameterised for the four metal centres, using a newly developed methodology. In the procedure, the subsystem for which point charges are to be obtained, is surrounded by an outer region, with the purpose of stabilising the inner region, both electronically and structurally. Finally, the possibility of vibrational promotion of the electron transfer step between haem a and a3 has been investigated. Calculating the full vibrational spectra, at DFT level, of a combined model of the two haems, revealed several normal modes that do shift electron density between the haems. The magnitude of the shift was found to be moderate, at most. The proposed mechanism could have an assisting role in the electron transfer, which still seems to be dominated by electron tunnelling.
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The role of heme in the synthesis of cytochrome c oxidase has been investigated in the mold Neurospora crassa. Iron-deficient cultures of the mold have low levels of cytochrome oxidase and delta-aminolevulinate dehydratase, the latter being the rate-limiting enzyme of the heme-biosynthetic pathway in this organism. Addition of iron to the iron-deficient cultures results in an immediate increase in the levels of delta-aminolevulinate dehydratase followed by an increase in the rate of heme synthesis and cytochrome oxidase levels. The rate of precursor labeling of the mitochondrial subunits of cytochrome oxidase is decreased preferentially under conditions of iron deficiency and addition of iron corrects this picture. Exogenous hemin addition which prevents iron-mediated induction of delta-aminolevulinate dehydratase also inhibits the increase in the activity of cytochrome oxidase and the enhanced precursor labeling of the mitochondrial subunits of cytochrome oxidase. Protein synthesis on mitoribosomes measured in vivo and in vitro is decreased under conditions of heme deficiency. Hemin addition in vitro to mitochondrial lysates prepared from heme-deficient mycelia restores a near normal rate of protein synthesis. It is concluded that heme is required for the optimal rate of translation on mitoribosomes.
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A cDNA library for 6S–9S poly(A)-containing RNA from rat liver was constructed in Image . Initial screening of the clones was carried out using single stranded 32P-labeled cDNA prepared against poly(A)-containing RNA isolated from immunoadsorbed polyribosomes enriched for the nuclear-coded subunit messenger RNAs of cytochrome c oxidase. One of the clones, pCO89, was found to hybridize with the messenger RNA for subunit VIC. The DNA sequence of the insert in pCO89 was carried out and it has got extensive homology with the C-terminal 33 amino acids of subunit VIC from beef heart cytochrome c oxidase. In addition, the insert contained 146 bp, corresponding to a portion of the 3′-non-coding region. Northern blot analysis of rat liver RNA with the nick-translated insert of pCO89 revealed that the messenger RNA for subunit VI would contain around 510 bases.
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The respiratory chain is found in the inner mitochondrial membrane of higher organisms and in the plasma membrane of many bacteria. It consists of several membrane-spanning enzymes, which conserve the energy that is liberated from the degradation of food molecules as an electrochemical proton gradient across the membrane. The proton gradient can later be utilized by the cell for different energy requiring processes, e.g. ATP production, cellular motion or active transport of ions. The difference in proton concentration between the two sides of the membrane is a result of the translocation of protons by the enzymes of the respiratory chain, from the negatively charged (N-side) to the positively charged side (P-side) of the lipid bilayer, against the proton concentration gradient. The endergonic proton transfer is driven by the flow of electrons through the enzymes of the respiratory chain, from low redox-potential electron donors to acceptors of higher potential, and ultimately to oxygen. Cytochrome c oxidase is the last enzyme in the respiratory chain and catalyzes the reduction of dioxygen to water. The redox reaction is coupled to proton transport across the membrane by a yet unresolved mechanism. Cytochrome c oxidase has two proton-conducting pathways through which protons are taken up to the interior part of the enzyme from the N-side of the membrane. The K-pathway transfers merely substrate protons, which are consumed in the process of water formation at the catalytic site. The D-pathway transfers both substrate protons and protons that are pumped to the P-side of the membrane. This thesis focuses on the role of two conserved amino acids in proton translocation by cytochrome c oxidase, glutamate 278 and tryptophan 164. Glu278 is located at the end of the D-pathway and is thought to constitute the branching point for substrate and pumped protons. In this work, it was shown that although Glu278 has an important role in the proton transfer mechanism, its presence is not an obligatory requirement. Alternative structural solutions in the area around Glu278, much like the ones present in some distantly related heme-copper oxidases, could in the absence of Glu278 support the formation of a long hydrogen-bonded water chain through which proton transfer from the D-pathway to the catalytic site is possible. The other studied amino acid, Trp164, is hydrogen bonded to the ∆-propionate of heme a3 of the catalytic site. Mutation of this amino acid showed that it may be involved in regulation of proton access to a proton acceptor, a pump site, from which the proton later is expelled to the P-side of the membrane. The ion pair that is formed by the ∆-propionate of heme a3 and arginine 473 is likely to form a gate-like structure, which regulates proton mobility to the P-side of the membrane. The same gate may also be part of an exit path through which water molecules produced at the catalytically active site are removed towards the external side of the membrane. Time-resolved optical and electrometrical experiments with the Trp164 to phenylalanine mutant revealed a so far undetected step in the proton pumping mechanism. During the A to PR transition of the catalytic cycle, a proton is transferred from Glu278 to the pump site, located somewhere in the vicinity of the ∆-propionate of heme a3. A mechanism for proton pumping by cytochrome c oxidase is proposed on the basis of the presented results and the mechanism is discussed in relation to some relevant experimental data. A common proton pumping mechanism for all members of the heme-copper oxidase family is moreover considered.
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The complexity of life is based on an effective energy transduction machinery, which has evolved during the last 3.5 billion years. In aerobic life, the utilization of the high oxidizing potential of molecular oxygen powers this machinery. Oxygen is safely reduced by a membrane bound enzyme, cytochrome c oxidase (CcO), to produce an electrochemical proton gradient over the mitochondrial or bacterial membrane. This gradient is used for energy-requiring reactions such as synthesis of ATP by F0F1-ATPase and active transport. In this thesis, the molecular mechanism by which CcO couples the oxygen reduction chemistry to proton-pumping has been studied by theoretical computer simulations. By building both classical and quantum mechanical model systems based on the X-ray structure of CcO from Bos taurus, the dynamics and energetics of the system were studied in different intermediate states of the enzyme. As a result of this work, a mechanism was suggested by which CcO can prevent protons from leaking backwards in proton-pumping. The use and activation of two proton conducting channels were also enlightened together with a mechanism by which CcO sorts the chemical protons from pumped protons. The latter problem is referred to as the gating mechanism of CcO, and has remained a challenge in the bioenergetics field for more than three decades. Furthermore, a new method for deriving charge parameters for classical simulations of complex metalloenzymes was developed.