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.

Abstract NADH-ubiquinone oxidoreductase (complex I) is one of the largest enzymes in mammals. Seven (ND1-ND6 and ND4L) of its 45 subunits are encoded in mitochondrial DNA, mutations of which are usually behind mitochondrial diseases such as Leber hereditary optic neuropathy (LHON) and MELAS-syndrome. The rest of the genes are located in the nucleus. Bacterial homologs of complex I (NDH-1) consist of only 13–14 subunits, comprising the catalytic core of the enzyme. These complexes are simpler but perform a similar function. Escherichia coli NDH-1 was employed here to generate amino acid replacements at conserved sites in NuoH, NuoJ and NuoK, counterparts of ND1, ND6 and ND4L, to elucidate their role in complex I. Consequences of homologous amino acid substitutions brought about by ND1-affecting LHON/MELAS-overlap syndrome-associated m.3376G>A and m.3865A>G mutations and the ND6-affecting m.14498T>C substitution associated with LHON were also studied to validate their pathogenicity. Effects of the site-directed mutations were evaluated on the basis of enzyme activity, inhibitor sensitivity and growth phenotype. Highly conserved glutamate-residues 36 and 72 within transmembrane helices of NuoK in positions similar to proton translocating transmembrane proteins were found essential for electron transfer to ubiquinone and growth on medium necessitating normal proton transfer by NDH-1. NuoH and NuoJ replacements at sites corresponding to targets of m.3376G>A and m.14498T>C decreased ubiquinone reductase activity and altered the ubiquinone binding site, while the counterpart of m.3865A>G was without a major effect. Other NuoH and NuoJ mutations studied also affected the interactions of ubiquinone and inhibitors with NDH-1. The results corroborate the pathogenicity of the m.14498T>C and m.3376G>A mutations and demonstrate that the overlap syndrome-associated modification affects complex I in a pattern which appears to combine the effects of separate mutations responsible for LHON and MELAS. Change in ubiquinone binding affinity is a likely pathomechanism of all LHON-associated mutations. Effects of the NuoH, NuoJ and NuoK subunit substitutions also indicate that ND1 and ND6 subunits contribute to the ubiquinone-interacting site of complex I and the site is located in the vicinity of the membrane surface, while ND4L is likely involved in proton pumping activity of the enzyme. / Tiivistelmä 45 alayksiköstä muodostuva NADH-ubikinoni oksidoreduktaasi (kompleksi I) on nisäkkäiden suurimpia entsyymejä. Sen mitokondriaalisessa DNA:ssa koodattujen alayksiköiden ND1-ND6 ja ND4L geeneihin liittyvät mutaatiot ovat yleisiä mitokondriosairauksien, kuten Leberin perinnöllisen näköhermoatrofian (LHON) ja MELAS-oireyhtymän, syitä. Bakteerien vastaava entsyymi (NDH-1) koostuu vain 13–14 alayksiköstä. Tästä huolimatta sen katalysoima reaktio on samankaltainen kuin kompleksi I:n. NDH-1:n katsotaankin edustavan entsyymin katalyyttistä ydintä. Tässä työssä tutkittiin ND1, ND6 ja ND4L alayksiköiden tehtävää kompleksi I:ssä niiden Escherichia coli bakteerissa olevien vastineiden (NuoH, NuoJ ja NuoK) kohdennetun mutageneesin avulla. Samaa lähestymistapaa käytettiin LHON/MELAS-oireyhtymässä todettujen ND1 alayksikön mutaatioiden, m.3376G>A ja m.3865A>G, ja LHON:ssa havaitun ND6:n m.14498T>C mutaation aiheuttamien aminohappomuutosten seurauksien selvittämiseen. Tehtyjen mutaatioiden vaikutuksia arvioitiin entsyymiaktiivisuus-mittauksin ja kasvukokein. NuoK:n solukalvon läpäisevissä rakenteissa olevien kahden glutamaatti-aminohappotähteen sijainti muistuttaa protoneita kalvon läpi kuljettavissa proteiineissa todettua. NuoK:n glutamaattien havaittiinkin olevan tärkeitä elektronien ja protonien kuljetukselle kompleksi I:ssä. m.3376G>A ja m.14498T>C mutaatioiden aiheuttamien aminohappomuutosten vastineet NDH-1:ssä alensivat NDH-1:n elektroninsiirtoaktiivisuutta ja heikensivät ubikinonin sitoutumista, kun taas m.3865A>G mutaatiolla ei ollut vaikutusta. Muut NuoH ja NuoJ alayksiköihin tehdyt aminohappovaihdokset johtivat huonontuneeseen ubikinonin ja kompleksi I:n inhibiittoreiden sitoutumiseen. Saadut tulokset vahvistavat m.3376G>A ja m.14498T>C mutaatioiden patogeenisyyden. Ne myös osoittavat, että LHON/MELAS-oireyhtymään liitetyn mutaation biokemiallisissa vaikutuksissa yhdistyvät sekä LHON:ssa että MELAS-oireyhtymässä todettujen mutaatioiden seuraukset. Esitetyt tulokset tukevat näkemystä siitä, että ubikinonin ja kompleksi I:n välisessä vuorovaikutuksessa tapahtuva muutos on kaikille LHON:aan liitetyille mutaatioille yhteinen vaikutusmekanismi. NuoH:n, NuoJ:n ja NuoK:n kohdennetusta mutageneesista saatujen tulosten perusteella ND1 ja ND6 alayksiköt ovat osa ubikinonin sitoutumispaikkaa entsyymikompleksissa, kun taas ND4L osallistuu protoninkuljetukseen.