Das molekulare Drehlager der ATP-Synthase 1. Sechs verschiedene EF1-Deletionsmutanten mit verkürzten gamma-Untereinheiten wur­den mittels PCR hergestellt. Die Deletionen befinden sich jeweils am C-terminalen Ende der Untereinheit und umfassen 3 (MM16), 6 (MM20), 9 (MM17), 12 (MM8), 15 (MM18) und 18 (MM19) Aminosäurereste. 2. Durch einen Wachstumstest auf Succinat-Agarplatten wurde festgestellt, daß die von den Plasmiden pMM16, pMM20, pMM17 und pMM8 codierten ATP-Syntha­sen in E. coli DK8 funktionell exprimiert werden können, während pMM18 und pMM19 funktionsunfähige ATP-Synthasen liefern. Die Wachstumsgeschwindig­keit der DK8-Mutanten MM16, MM20 und MM17 auf Succinatmedium wird durch die Deletionen nicht beeinflußt. Hingegen besitzt E. coli DK8 pMM8 auf diesem Medium eine um etwa 33% geringere Wachstumsgeschwindigkeit. 3. Die DK8-Klone MM16, MM20, MM17 und MM8 wurden für die Expression und Isolierung von EF1-Komplexen verwendet. MM18 und MM19 lieferten keine mit Hilfe des S+G-Proteintests nachweisbaren Mengen an EF1. Durch die Verkürzung der Untereinheit gamma kam es bei der Aufreinigung der Enzymkomplexe nicht zu ei­nem verstärkten Verlust dieser Untereinheit. Aufgereinigtes KH7-EF1 (Kontroll-EF1 ohne Verkürzung des gamma-C-Terminus) und die EF1-Komplexe der Deletions­mutanten wiesen ein ähnliches alpha/beta:gamma-Verhältnis auf. 4. Die ATP-Hydrolyseaktivitäten der EF1-Deletionsmutanten zeigten eine starke Ab­hängigkeit von der Deletionslänge. So fielen die Aktivitäten bei 35ºC von 93 u/mg (KH7-EF1) um ca. 75% auf 22 u/mg (MM8-EF1) ab. Dagegen sanken die Aktivie­rungsenergien für die ATP-Hydrolyse durch die EF1-Deletionsmutanten mit zu­nehmender Deletionslänge erheblich schwächer ab. Hier konnte für KH7-EF1 eine Aktivierungsenergie von 54 kJ/mol und für MM8-EF1 35 kJ/mol ermittelt werden. Dies entspricht einer Abnahme um ca. 35%. 5. Das durch die Rotor-Untereinheit gamma erzeugte Drehmoment zeigte nur eine geringe Abhängigkeit von der Deletionslänge. So wiesen die EF1-Komplexe der Deleti­onsmutanten gegenüber KH7-EF1 nur ein um ca. 20% verringertes Drehmoment auf. Eine starke Abhängigkeit von der Deletionslänge wies im mikrovideographi­schen Rotationstest jedoch die Ausbeute an Rotatoren bezogen auf die Beobach­tungszeit der Küvetten auf. Dabei nahm die Ausbeute von KH7-EF1 zu MM8-EF1 erheblich ab. Keine Abhängigkeit von der Deletionslänge zeigte dagegen das Ro­tations/Rotationspausen-Verhältnis innerhalb der Laufzeiten der Rotatoren, die von etwa 10 – 190 s (durchschnittlich ca. 60 s) variierten. Aufgrund der verhältnismä­ßig kurzen Laufzeiten ist eine exakte Angabe des Rotations/Rotationspausen-Ver­hältnisses jedoch nicht möglich. 6. Rotationsexperimente mit EFOF1-Komplexen, die über die C-terminale gamma-Deletion deltaS281-V286 (gamma-6) verfügten, scheiterten möglicherweise aufgrund der Instabilität der Enzymkomplexe. 7. Da die Funktion aktiver EF1-Komplexe durch die gamma-Deletionen offenbar kaum beeinflußt wird, muß davon ausgegangen werden, daß die geringere ATP-Hydroly­seaktivität der Deletionsmutanten durch ein verändertes Verhältnis von aktiven und inaktiven Enzymkomplexen hervorgerufen wird. Die Deletionen beeinflußen damit weniger die mechanische Funktion des Enzyms sondern vielmehr die Stabilität ak­tiver Enzymkomplexe. 8. Mit der Mutante MM10 wurde ein EF1-Komplex erzeugt, der eine Verknüpfung der Rotoruntereinheit gamma mit einer Statoruntereinheit alpha über die Cysteine alphaC280 und gammaC285 ermöglichte. Eine Verknüpfung der beiden Untereinheiten konnte durch Oxidation mit 100 µM DTNB in etwa 30 min zu >90% erreicht werden. Eine Öff­nung der Disulfidbrücke durch Reduktion mit 20 mM DTT erforderte Inkubations­zeiten von bis zu etwa 600 min (Ausbeute >90%). Die Bildung einer Disulfidbrü­cke zwischen alphaC280 und gammaC285 hatte weder einen Einfluß auf die ATP-Hydroly­seaktivität des Enzyms noch auf die Aktivierungsenergie der ATP-Hydrolyse durch MM10-EF1. 9. MM10-EF1 ließ sich im ATP-Hydrolyse-Aktivitätstest über einen Zeitraum von 5 min durch Zugabe von 1 mM AMP-PNP nahezu vollständig hemmen (ca. 96%), während sich mit 1 mM AMP-PNP + 1 mM ADP, 1 mM NaN3 und 1 mM NaN3 + 1 mM ADP nur Inhibierungsgrade von 77-88% erreichen ließen. 10. Durch einen biochemischen Rotationstest konnte die freie Drehbarkeit des C-termi­nalen Bereichs von gamma im alpha3beta3-Hexagon des EF1-Komplexes nachgewiesen werden. Die Drehbarkeit ließ sich auch durch Zugabe von Inhibitoren des Enzym­komplexes im untersuchten Zeitbereich von Stunden nicht blockieren. Dadurch kann nicht bewiesen werden, daß die rotatorische Mobilität des C-terminalen gamma-Be­reichs ausschließlich auf eine katalytisch bedingte gamma-Rotation zurückzuführen ist. Eine weitere Ursache für die rotatorische Mobilität könnte in einer hohen struktu­rellen Flexibilität des gesamten Lagerbereichs von EF1 bestehen. Der Rotationstest zeigt jedoch, daß die durch molekulardynamische Berechnungen nahegelegte Fi­xierung des C-terminalen gamma-Bereichs bei der gamma-Rotation für die Funktion des EF1-Komplexes offenbar keine Rolle spielt. Ein weiterer biochemischer Rotationstest zum Nachweis der Inhibierung der gamma Ro­tationsbewegung durch kompetetive Inhibitoren über einen Zeitraum von etwa 18 h scheiterte offenbar aufgrund der experimentellen Auslegung des Versuchs.

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<p>Предмет истраживања у оквиру докторске дисертације је развој методе и мерила<br />запреминског протока ваздуха. Запремински проток ваздуха мерен је квадратном<br />регулационом ATP (Air Torque Position) жалузином на посредан начин, мерењем<br />момента којим ваздушна струја делује на лопатицу и положаја лопатице жалузине.<br />Циљ истраживања је у потпуности реализован при чему је развијена ATP жалузина<br />за мерење запреминског протока ваздуха са лопатицама које не формирају решетку<br />и за њу је на основу експерименталних података формиран и верификован<br />адекватан математички модел. Потврђена је основна хипотеза докторске<br />дисертације да дефинисани математички модел може успешно да се користи за<br />тачно и поуздано мерење запреминског протока ваздуха. Разлика између измерене и<br />моделске брзине је +/-10 % од тренутно измерене брзине струјања.</p> / <p>Predmet istraživanja u okviru doktorske disertacije je razvoj metode i merila<br />zapreminskog protoka vazduha. Zapreminski protok vazduha meren je kvadratnom<br />regulacionom ATP (Air Torque Position) žaluzinom na posredan način, merenjem<br />momenta kojim vazdušna struja deluje na lopaticu i položaja lopatice žaluzine.<br />Cilj istraživanja je u potpunosti realizovan pri čemu je razvijena ATP žaluzina<br />za merenje zapreminskog protoka vazduha sa lopaticama koje ne formiraju rešetku<br />i za nju je na osnovu eksperimentalnih podataka formiran i verifikovan<br />adekvatan matematički model. Potvrđena je osnovna hipoteza doktorske<br />disertacije da definisani matematički model može uspešno da se koristi za<br />tačno i pouzdano merenje zapreminskog protoka vazduha. Razlika između izmerene i<br />modelske brzine je +/-10 % od trenutno izmerene brzine strujanja.</p> / <p>The object of the research in the dissertation was development of method and<br />equipment for air flow rate measuring. Volumetric air flow rate was measured by<br />square shaped control ATP (Air Torque Position) damper. Air flow rate was<br />indirectly determinated by measuring of the moment of air flow acting on the blade<br />and the blade damper position. The aim of the research was fully realized with the<br />developed ATP damper for measuring of volumetric air flow rate, where blades of<br />damper did not form a lattice. Based on the experimental data has been developed<br />and verified an adequate mathematical model. The difference between the measured<br />and the model&#39;s velocity is + / -10% of the current measured air flow velocity.<br />Mathematical model can be successfully used for accurate and reliable measurement<br />of the air flow rate. In this way was confirmed the basic hypothesis of dissertation.</p>

Estudos anteriores realizados no Laboratório de Erros Inatos do Metabolismo demonstraram que fenilalanina (Phe) 2,0 mM ou fenilpiruvato (PP) 5,0 mM, um metabólito desaminado da Phe, reduzem a atividade da ATP-difosfoidrolase em sinaptossomas de córtex cerebral de ratos. Já estudos do efeito da Phe e do fenilactato sobre a atividade da Na+K+-ATPase, enzima envolvida na manutenção do potencial de membrana e na integridade celular no cérebro, demonstraram seus efeitos inibitórios, bem como a reversão destes efeitos pela alanina (Ala), competitivamente. Por outro lado, quando testada isoladamente, a alanina não altera a atividade da enzima. Resultados semelhantes foram observados em relação à fosforilação de proteínas de citoesqueleto neuronal na presença de Phe e/ou Ala. O presente estudo teve como principal objetivo caracterizar a inibição causada por Phe ou PP sobre a atividade da ATP-difosfoidrolase. Considerando que a ATP- difosfoidrolase participa com a 5’-nucleotidase na síntese de adenosina a partir do ATP e do ADP, decidimos investigar também os efeitos “in vitro” da Phe ou do PP sobre a atividade da 5’-nucleotidase na mesma fração. Além disso, considerando que a alanina reverte o efeito inibitório da Phe sobre algumas enzimas, decidimos investigar o efeito daquele aminoácido sobre as atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase, bem como a possibilidade da alanina reverter efeitos inibitórios provocados pela Phe ou pelo PP sobre a atividade da ATP-difosfoidrolase. Os sinaptossomas foram preparados a partir de córtex cerebral de ratos com idade entre 25 e 35 dias para determinação das atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase. A Phe ou o PP inibiram a atividade da ATP- difosfoidrolase em aproximadamente 20%, no entanto, a atividade da 5’-nucleotidase não foi afetada pelos dois metabólitos. Os resultados dos estudos cinéticos realizados com ATP-difosfoidrolase sugerem que ADP, Phe e PP agem sobre o mesmo sítio da enzima. A alanina não altera as atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase e, quando testada em associação com Phe 1,5 mM ou com PP 5,0 mM, não reverteu os efeitos inibitórios provocados pelos mesmos. Considerando a importância da atividade da ATP- difosfoidrolase para a degradação do neurotransmissor ATP em sistema nervoso central, se os efeitos observados “in vitro” também ocorrerem “in vivo”, a inibição da enzima pode ser um dos mecanismos que levam ao dano cerebral característico da fenilcetonúria.

Estudos anteriores realizados no Laboratório de Erros Inatos do Metabolismo demonstraram que fenilalanina (Phe) 2,0 mM ou fenilpiruvato (PP) 5,0 mM, um metabólito desaminado da Phe, reduzem a atividade da ATP-difosfoidrolase em sinaptossomas de córtex cerebral de ratos. Já estudos do efeito da Phe e do fenilactato sobre a atividade da Na+K+-ATPase, enzima envolvida na manutenção do potencial de membrana e na integridade celular no cérebro, demonstraram seus efeitos inibitórios, bem como a reversão destes efeitos pela alanina (Ala), competitivamente. Por outro lado, quando testada isoladamente, a alanina não altera a atividade da enzima. Resultados semelhantes foram observados em relação à fosforilação de proteínas de citoesqueleto neuronal na presença de Phe e/ou Ala. O presente estudo teve como principal objetivo caracterizar a inibição causada por Phe ou PP sobre a atividade da ATP-difosfoidrolase. Considerando que a ATP- difosfoidrolase participa com a 5’-nucleotidase na síntese de adenosina a partir do ATP e do ADP, decidimos investigar também os efeitos “in vitro” da Phe ou do PP sobre a atividade da 5’-nucleotidase na mesma fração. Além disso, considerando que a alanina reverte o efeito inibitório da Phe sobre algumas enzimas, decidimos investigar o efeito daquele aminoácido sobre as atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase, bem como a possibilidade da alanina reverter efeitos inibitórios provocados pela Phe ou pelo PP sobre a atividade da ATP-difosfoidrolase. Os sinaptossomas foram preparados a partir de córtex cerebral de ratos com idade entre 25 e 35 dias para determinação das atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase. A Phe ou o PP inibiram a atividade da ATP- difosfoidrolase em aproximadamente 20%, no entanto, a atividade da 5’-nucleotidase não foi afetada pelos dois metabólitos. Os resultados dos estudos cinéticos realizados com ATP-difosfoidrolase sugerem que ADP, Phe e PP agem sobre o mesmo sítio da enzima. A alanina não altera as atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase e, quando testada em associação com Phe 1,5 mM ou com PP 5,0 mM, não reverteu os efeitos inibitórios provocados pelos mesmos. Considerando a importância da atividade da ATP- difosfoidrolase para a degradação do neurotransmissor ATP em sistema nervoso central, se os efeitos observados “in vitro” também ocorrerem “in vivo”, a inibição da enzima pode ser um dos mecanismos que levam ao dano cerebral característico da fenilcetonúria.

Estudos anteriores realizados no Laboratório de Erros Inatos do Metabolismo demonstraram que fenilalanina (Phe) 2,0 mM ou fenilpiruvato (PP) 5,0 mM, um metabólito desaminado da Phe, reduzem a atividade da ATP-difosfoidrolase em sinaptossomas de córtex cerebral de ratos. Já estudos do efeito da Phe e do fenilactato sobre a atividade da Na+K+-ATPase, enzima envolvida na manutenção do potencial de membrana e na integridade celular no cérebro, demonstraram seus efeitos inibitórios, bem como a reversão destes efeitos pela alanina (Ala), competitivamente. Por outro lado, quando testada isoladamente, a alanina não altera a atividade da enzima. Resultados semelhantes foram observados em relação à fosforilação de proteínas de citoesqueleto neuronal na presença de Phe e/ou Ala. O presente estudo teve como principal objetivo caracterizar a inibição causada por Phe ou PP sobre a atividade da ATP-difosfoidrolase. Considerando que a ATP- difosfoidrolase participa com a 5’-nucleotidase na síntese de adenosina a partir do ATP e do ADP, decidimos investigar também os efeitos “in vitro” da Phe ou do PP sobre a atividade da 5’-nucleotidase na mesma fração. Além disso, considerando que a alanina reverte o efeito inibitório da Phe sobre algumas enzimas, decidimos investigar o efeito daquele aminoácido sobre as atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase, bem como a possibilidade da alanina reverter efeitos inibitórios provocados pela Phe ou pelo PP sobre a atividade da ATP-difosfoidrolase. Os sinaptossomas foram preparados a partir de córtex cerebral de ratos com idade entre 25 e 35 dias para determinação das atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase. A Phe ou o PP inibiram a atividade da ATP- difosfoidrolase em aproximadamente 20%, no entanto, a atividade da 5’-nucleotidase não foi afetada pelos dois metabólitos. Os resultados dos estudos cinéticos realizados com ATP-difosfoidrolase sugerem que ADP, Phe e PP agem sobre o mesmo sítio da enzima. A alanina não altera as atividades da ATP-difosfoidrolase e da 5’-nucleotidase e, quando testada em associação com Phe 1,5 mM ou com PP 5,0 mM, não reverteu os efeitos inibitórios provocados pelos mesmos. Considerando a importância da atividade da ATP- difosfoidrolase para a degradação do neurotransmissor ATP em sistema nervoso central, se os efeitos observados “in vitro” também ocorrerem “in vivo”, a inibição da enzima pode ser um dos mecanismos que levam ao dano cerebral característico da fenilcetonúria.

The complexes of the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system in the inner mitochondrial membrane are organised into structural and functional super-assemblies, so-called supercomplexes. This type of organisation enables substrate channelling and hence improves the overall OXPHOS efficiency. ATP synthase associates into dimers and higher oligomers. Within the supercomplex of ATP synthasome, it interacts with ADP/ATP translocase (ANT), which exchanges synthesised ATP for cytosolic ADP, and inorganic phosphate carrier (PiC), which imports phosphate into the mitochondrial matrix. The existence of this supercomplex is generally accepted. Experimental evidence is however still lacking. In this thesis, structural interactions between ATP synthase, ANT and PiC were studied in detail. In addition, the interdependence of their expression was examined either under physiological conditions in rat tissues or using model cell lines with ATP synthase deficiencies of different origin. Specifically, they included mutations in the nuclear genes ATP5E and TMEM70 that code for subunit ε and the ancillary factor of ATP synthase biogenesis TMEM70, respectively, and a microdeletion at the interface of genes MT-ATP6 and MT-COX3 that impairs the mitochondrial translation of both subunit a of ATP synthase and subunit Cox3...

The complexes of the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system in the inner mitochondrial membrane are organised into structural and functional super-assemblies, so-called supercomplexes. This type of organisation enables substrate channelling and hence improves the overall OXPHOS efficiency. ATP synthase associates into dimers and higher oligomers. Within the supercomplex of ATP synthasome, it interacts with ADP/ATP translocase (ANT), which exchanges synthesised ATP for cytosolic ADP, and inorganic phosphate carrier (PiC), which imports phosphate into the mitochondrial matrix. The existence of this supercomplex is generally accepted. Experimental evidence is however still lacking. In this thesis, structural interactions between ATP synthase, ANT and PiC were studied in detail. In addition, the interdependence of their expression was examined either under physiological conditions in rat tissues or using model cell lines with ATP synthase deficiencies of different origin. Specifically, they included mutations in the nuclear genes ATP5E and TMEM70 that code for subunit ε and the ancillary factor of ATP synthase biogenesis TMEM70, respectively, and a microdeletion at the interface of genes MT-ATP6 and MT-COX3 that impairs the mitochondrial translation of both subunit a of ATP synthase and subunit Cox3...

Strap is a DNA damage responsive p53 cofactor, reflecting its control by the DNA damage signalling pathway. This study identified Strap at the mitochondria where it is damage regulated and can augment p53-dependent cytochrome c release leading to apoptosis. Moreover, p53 and Strap facilitate each other’s localisation from the mitochondria to the nucleus during the DNA damage response. Two ATM/ATR phosphorylation consensus sites in Strap were identified by mass spectrometry and phosphorylation of all the ATM/ATR consensus sites resulted in mitochondrial localisation of Strap during DNA damage. Targeting Strap to the mitochondria depletes cellular ATP when cells favour energy production through oxidative phosphorylation and sensitises cells to p53-dependent damage-induced apoptosis. These results thus imply that Strap co-ordinates different arms of the p53 response, and might be responsible for integrating its mitochondrial and nuclear functions.