Spektroelektrochemische Untersuchungen mittels oberflächenverstärkter Infrarotabsorptionsspektroskopie (SEIRAS) an Multi-Redox-Center-Proteinen in einer biomimetischen Membranumgebung

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

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

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.

A biomimetic model membrane system on oxidic surfaces designed for the investigation of cytochrome c oxidase and other membrane proteins by fluorescence and waveguide spectroscopy

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.

Using paint to investigate fires: an ATR-IR study of the degradation of paint samples upon heating

Fire investigation is a challenging area for the forensic investigator. The aim of this work was to use spectral changes to paint samples to estimate the temperatures to which a paint has been heated. Five paint samples (one clay paint, two car paints, one metallic paint, and one matt emulsion) have been fully characterized by a combination of attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-IR), Raman, X-ray fluorescence spectroscopy and powder X-ray diffraction. The thermal decomposition of these paints has been investigated by means of ATR-IR and thermal gravimetric analysis. Clear temperature markers are observed in the ATR-IR spectra namely: loss of m(C = O) band, >300°C; appearance of water bands on cooling, >500°C; alterations to m(Si–O) bands due to dehydration of silicate clays, >700°C; diminution of m(CO3) and d(CO3) modes of CaCO3, >950°C. We suggest the possible use of portable ATR-IR for nondestructive, in situ analysis of paints.

Elektrochemisch gesteuerte zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie an Redox-Membranproteinen in einer biomimetischen Membran-Architektur

Das Protein Cytochrom c Oxidase (CcO) ist ein Enzym der mitochondrialen Atmungskette. Als letzter Komplex (Komplex IV) einer Elektronentransportkette katalysiert sie die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser. Hierbei werden Elektronen von Cytochrom c (Cc) in das Enzym geleitet. Die durch den Redoxprozess freiwerdende freie Enthalpie wird dazu genutzt, einen Protonengradienten über die innere Mitochondrien-Membran aufzubauen. Die zurückwandernden Protonen treiben in der ATP-Synthase die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) an, dem universellen Energieträger in lebenden Organismen. Gegenstand dieser Dissertation sind zeitaufgelöste ATR-FTIR-Messungen des direkten Elektronentransfers in die CcO. Das Protein wird hierzu orientiert auf einer Goldelektrode immobilisiert und in eine künstliche Membran rekonstituiert (Protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM). Das ptBLM-System wird hinsichtlich einer möglichst hohen Protein-Aktivität optimiert. Elektronen werden durch elektrochemische Anregung von der Elektrode in die CcO injiziert. Die Goldoberfläche wird auf die reflektierende Oberfläche eines Silizium-ATR-Kristalls aufgebracht. Durch die Präparation einer rauen Oberfläche (RMS-Rauigkeit ca. 5 nm) wird eine Verstärkung der IR-Absorption erreicht. Die mit den Ladungstransferprozessen einhergehenden Konformationsänderungen der die Redoxzentren umgebenden Gruppen (CONH-Gerüst und Aminosäure-Seitenketten) können durch Infrarot-Spektroskopie nachgewiesen werden. Phasensensitive Detektion (PSD) wird zur Rauschminderung eingesetzt, um Geschwindigkeitskonstanten für die Redox-Übergänge zu bestimmen. Im Bereich der Amid-I-Bande werden etliche Peaks identifiziert, die sich mit dem Redoxzustand des Proteins ändern. Für das CuA-Zentrum, welches als erstes der vier Redoxzentren der CcO reduziert wird, wird die schnellste Geschwindigkeitskonstante ks=4870/s ermittelt. Für das Häm a3-Zentrum wird eine Geschwindigkeitskonstante von ks=13,8/s ermittelt. Die Ergebnisse sind konsistent zu elektrochemischen und Raman-Spektroskopie-Experimenten, welche ebenfalls in unserer Gruppe durchgeführt wurden. Weitere Themen dieser Dissertation sind der Nachweis der Anwendbarkeit des ptBLM-Systems für andere Membranproteine (Beispiel: bakterielles photosynthetisches Reaktionszentrum) und der Einsatz des ATR-FTIR-Setups für verschiedene künstliche Membransysteme (Aktivitätsnachweis des OR5-Geruchsrezeptors in einer peptidgestützten Membran, Eigenschaften eines Oligoethylenglycol-Spacers).

Cloning and characterization of cytochrome c oxidase subunit I (COXI) in Gobiocypris rarus

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.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase in self-assembled monolayers on gold electrodes

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.

Structural description of humic substances from subtropical coastal environments using elemental analysis, FT-IR and C-13-solid state NMR data

Elemental composition and spectroscopic properties (FT-IR and CP/MAS C-13-NMR) of sedimentary humic substances (HS) from aquatic subtropical environments (a lake, an estuary and two marine sites) are investigated. Humic acids (HA) are relatively richer in nitrogen and in aliphatic chains than fulvic acids (FA) from the same sediments. Conversely, FA are richer in carboxylic groups and in ring polysaccharides than HA. Nitrogen is mostly present as amide groups and for lake and marine HS the FT-IR peaks around 1640 cm(-1) and 1540 cm(-1) identify polypeptides. Estuarine HS exhibit mixed continental-marine influences, these being highly influenced by site location. Overall, the data suggest that aquatic and mixed HS are more aliphatic than has been proposed in current models and also that amide linkages form an important part of their structural configuration.

The CuA center of cytochrome-c oxidase: electronic structure and spectra of models compared to the properties of CuA domains.

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.

Cytochrome c oxidase is preferentially synthesized in the rough endoplasmic reticulum--mitochondrion complex in rat liver

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.

Biosynthesis of cytoplasmic subunits of cytochrome C oxidase in rat liver

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.

A quantum chemical investigation of the metal centres in cytochrome c oxidase

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.

Role of heme in the synthesis of cytochrome c oxidase in Neurospora crassa

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.

Construction of a cDNA clone for a nuclear-coded subunit of cytochrome c oxidase from rat liver

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.

Redox-linked proton transfer by cytochrome c oxidase

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.