L'étude des membranes biologiques nécessite l'examen des différentes propriétés de ses composantes principales: les lipides et les protéines. Dans ce manuscrit, l'interaction lipide- lipide et lipide-protéine ont été suivies par spectroscopie vibrationnelle (Raman, Infrarouge). Nous sommes intéressés en premier lieu à l'étude de la structure et l'organisation des phospholipides dans leur phase gel et leur phase cristalline liquide en utilisant la spectroscopie moyen infrarouge. En outre, l'effet de la composition du groupement hydrophiles des lipides sur le comportement de la liaison hydrogène des mélanges lipidiques a été sondé en utilisant la spectroscopie lointain infrarouge. Dans la seconde partie, l'interaction de la protéine NADH ubiquinone oxydoréductase et du mutant NuoL (D563N) avec le zinc ont été étudiés par spectroscopie différentielle et les changements conformationnels induits par la liaison du zinc avec les protéines ont été examinés. Enfin, les vibrations métal-ligand des groupements fer-soufre dans le mutant de NuoB (C64A G100C) à différents pH ont été analysées par spectroscopie Raman. / The study of biological membranes involves the examination of the different properties of its main components: as lipids and proteins. In this manuscript, the lipid-lipid interaction and the lipid-protein interaction were monitored by vibrational spectroscopy (Raman and Infrared). We have been interested in the first part in studying the structure and organization of phospholipids in the gel phase and the liquid crystalline phase using mid infrared spectroscopy. In addition, the effect of the head group composition on the hydrogen bonding behaviour of lipid mixtures was probed using far infrared spectroscopy. In the second part, the interaction of the NADH ubiquinone oxidoreductase protein and NuoL mutant (D563N) with zinc was investigated through FTIR difference spectroscopy where the conformational changes upon zinc binding were monitored. Finally, the metal-ligand vibrations of the iron- sulfur clusters in NuoB mutants (C64A G100C) at different pH were analysed using Raman spectroscopy.

Die Verknüpfung einer exergonischen mit einer endergonischen Reaktion zur Ermöglichung der letzteren ist eine in biologischen Systemen weit verbreitete Strategie. Energetisch benachteiligte Elektronenübertragungsreaktionen im Rahmen der reduktiven Aktivierung von Nitrogenasen, Radikal-abhängigen β,α-Dehydratasen, der zu diesen verwandten Benzoyl-CoA-Reduktasen und diversen Cobalamin-abhängigen Methyltransferasen sind gekoppelt an die Hydrolyse von ATP. Der Methylgruppentransfer des reduktiven Acetyl-CoA-Weges von Carboxydothermus hydrogenoformans erfordert den Co(I)-Zustand des Corrinoid/Eisen-Schwefel Proteins (CoFeSP). Um diese superreduzierte Form nach einer oxidativen Inaktivierung zu regenerieren ist ein „Reparaturmechanismus“ erforderlich. Ein offenes Leseraster (orf7), welches möglicherweise für eine reduktive Aktivase von Corrinoid Enzymen (RACE) kodiert, wurde in dem Gencluster der am reduktiven Acetyl-CoA-Weg beteiligten Proteine entdeckt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses potenzielle RACE Protein biochemisch und strukturell charakterisiert und die ATP-abhängige reduktive Aktivierung von CoFeSP untersucht. Auf Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse wurde ein Mechanismus für die ATP-abhängige Aktivierung entworfen. Dieser gibt Einblicke wie die durch ATP-Hydrolyse bereitgestellte Energie einen energetisch ungünstigen Elektronentransfer ermöglichen kann. Hierzu kombiniert RACo das Ausgleichen von Bindungsenergien mit Modulationen am Elektronenakzeptor. Eine vergleichbare Strategie wurde bisher in keinem anderen ATP-abhängigen Elektronenübertragungssystem wie dem von Nitrogenasen, Radikal-abhängigen β,α-Dehydratasen oder Benzoyl-CoA-Reduktasen beobachtet und könnte ein für RACE Proteine allgemein gültige Eigenschaft darstellen. / The principle of coupling an exergonic to an endergonic reaction to enable the latter is a widespread strategy in biological systems. Unfavoured electron transfer reactions in the reductive activation of nitrogenases, radical-dependent β,α-dehydratases and the related benzoyl- CoA reductases, as well as different cobalamin-dependent methyltransferases are coupled to the hydrolysis of ATP. The reductive acetyl-CoA pathway of Carboxydothermus hydrogenoformans relies on the superreduced Co(I)-state of the corrinoid/iron-sulfur protein (CoFeSP) that requires a “repair mechanism” in case of incidental oxidation. An open reading frame (orf7) coding for a putative reductive activase of corrinoid enzymes (RACE) was discovered in the gene cluster of proteins involved in the reductive acetyl-CoA pathway. In this work, this putative RACE protein was biochemically and structurally characterised and the ATP-dependent reductive activation of CoFeSP was investigated. Based on the results of this study, a mechanism for the ATP-dependent reactivation of CoFeSP was deduced providing insights into how the energy provided by ATP could trigger this unfavourable electron transfer. The reductive activator of CoFeSP combines balance of binding energies and modulations of the electron acceptor to promote the uphill electron transfer to CoFeSP. A comparable strategy has not been observed in other ATP-dependent electron transfer systems like nitrogenases, radical-dependent β,α-dehydratases and benzoyl- CoA reductases and could be a universal feature of RACE proteins.

Die lösliche, NAD+-reduzierende Hydrogenase (SH) aus Ralstonia eutropha H16 ist eine Pyridinnukleotid-abhängige Hydrogenase. Das heißt, der Umsatz von H2 im Hydrogenasemodul des Enzyms ist an die Reduktion von NAD(P)+ im NAD(P)H:Akzeptor-Oxidoreduktasemodul gekoppelt. Die SH ist Vertreter des Subtyps, der auch in Gegenwart von O2 katalytisch aktiv ist. Dies wird ermöglicht durch eine reduktive Entfernung von O2, die nach dem aktuellen Modell abhängig ist vom rückläufigen e--Transport vom NADH:Akzeptor-Oxidoreduktasemodul zum aktiven [NiFe]-Zentrum in der großen Hydrogenaseuntereinheit. Der Einfluss des FeS-Clusters in der kleinen Hydrogenaseuntereinheit HoxY auf diesen Prozess wurde hier untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die vier hochkonservierten Cysteine C41, C44, C113 und C179 in HoxY an der Koordination des FeS-Zentrums beteiligt sind. Außerdem wurde das nahegelegene Cystein C39 als relevant für die Sauerstofftoleranz identifiziert. Weiterhin wurde gezeigt, dass das Tryptophan W42 aus HoxY essentiell für die Hydrogenaseaktivität der SH ist. Damit bestätigt sich, dass die Kinetik des rückläufigen e--Transports durch die Aminosäureumgebung des FeS-Clusters in HoxY beeinflusst ist. Ferner wurden in dieser Arbeit Ansätze zum Einsatz der SH aus R. eutropha in einer H2-produzierenden cyanobakteriellen Designzelle weiterverfolgt. Dazu wurden Hybridsysteme aus SH und cyanobakteriellem Photosystem I in vitro hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur lichtgetriebenen H2-Produktion untersucht. Außerdem wurde an einem heterologen Expressionssystem der SH für Cyanobakterien gearbeitet. Weiterhin wurde die SH aus Rhodococcus opacus MR11 als komplementäres Modellsystem für O2-tolerante Pyridinnukleotid-abhängige Hydrogenasen etabliert. Dieser zur SH aus R. eutropha homologe Komplex hatte in früheren Arbeiten Vorteile für spektroskopische Studien offenbart und wurde hier erstmals im direkten Vergleich zur SH aus R. eutropha biochemisch und spektroskopisch charakterisiert. / The soluble, NAD+-reducing hydrogenase (SH) from Ralstonia eutropha H16 is a pyridine nucleotide-dependent hydrogenase. In these types of enzymes the conversion of H2 in the hydrogenase module of the complex is coupled to the reduction of NAD(P)+ in the NAD(P)H:acceptor oxidoreductase module. The SH belongs to a subtype that is catalytically active also in the presence of O2. This O2 tolerance is enabled by a reductive removal of O2, which according to the current model depends on a reverse e- flow from the NADH:acceptor oxidoreductase module to the active [NiFe] site in the large hydrogenase subunit. The impact of the FeS cluster in the small hydrogenase subunit HoxY on this process was analyzed in this study. Thereby it was shown that the four highly conserved cysteines C41, C44, C113 and C179 in HoxY are involved in the coordination of the FeS center. Further the nearby cysteine C39 was identified to be relevant for the O2 tolerance of the SH. Additionally we found the tryptophan W42 to be essential for the hydrogenase activity of the SH. Thus it was confirmed that the kinetic of the reverse e- transport is affected by the amino acid environment of the FeS cluster in HoxY. In addition, approaches for using the SH from R. eutropha in H2 producing cyanobacterial design cells were pursued. On one hand hybrid systems consisting of the SH and cyanobacterial photosystem I were analyzed in vitro for their capacity to produce H2 in a light dependent manner. On the other hand work on a heterologous expression system of the SH for Cyanobacteria was continued. Furthermore the SH from Rhodococcus opacus MR11 was established as complementary model system for O2-tolerant pyridine nucleotide-dependent hydrogenases. This complex, which is homologous to the SH from R. eutropha, has revealed advantages for spectroscopic analysis in earlier studies. Here it was characterized biochemically and spectroscopically for the first time in direct comparison with the SH from R. eutropha.

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