Cytochrome bc1 (Complex III) is an important enzyme that takes part in the respiratory electron transport chain in vertebrates, yeast, and many bacteria. The complex exists as a dimer, in which each monomer contains three catalytic subunits: cytochrome c1, cytochrome b and the Rieske iron-sulfur protein or ISP. Within the inner mitochondrial membranes of eukaryotes, Complex III catalyzes the transfer of two electrons from ubiquinol (UQH2) to cytochrome c, a water-soluble protein, through a process called the modified Q-cycle mechanism. Under very specific conditions, such as mutations within cytochrome b, disruption of the normal mechanism leads to bypass reactions, including the formation of superoxide and reactive oxygen species. We have sought to restore the activity of a mutant of cytochrome b (T61V) by modifying UQH2, the natural substrate for this enzyme. The structure of the oxidized form, UQ consists of a p-quinone head group and a hydrophobic all-trans polyprenyl unit (tail) that can vary in length, depending on the species in which it is found. The present work highlights modifications to the substituent groups attached to the quinone head and to the all-trans polyprenyl tail. Since the midpoint potentials of these molecules are pH dependent, cyclic voltammetry and spectroelectrochemistry studies in buffered aqueous solutions have been carried out on these molecules (analogs of UQ10). Modifications of the substituent groups attached to the quinone head gave the molecules a different ability to either donate or receive electrons, while modifications to the length of the tail either increased or decreased the solubility of these molecules inside the phospholipid membrane. We examined the normal activity and the production of superoxide in wild-type and (T61V) of bacterial Rhodobacter sphaeroides in the presence of these analogs. We confirmed that to prevent damaging side reactions, normal operation of the Q-cycle requires a fairly narrow window of reduction potentials with respect to the ubiquinol substrate.

Thesis (Doctoral)--Universiteit van Amsterdam, 1982.

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 2003. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains viii, 144 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 129-144).

Mitochondrien haben eine entscheidende Rolle im Zellmetabolismus, da sie den Hauptort der ATP-Produktion darstellen. Störungen des mitochondrialen Metabolismus sind mit einem weiten Spektrum von Erkrankungen assoziiert. Das Gehirn und die Muskulatur sind aufgrund ihres hohen Energiebedarfs dabei oft betroffen (Epilepsie, Ataxie, Myopathie). Diese Arbeit beschreibt die Klonierung von nukleären Genen des Komplexes I der mitochondrialen Atmungskette. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die 51 kDa Untereinheit (NDUFV1) gerichtet, da sie mit ihrer Bindungsstelle für NADH2 die Eintrittspforte in den Komplex I darstellt. In dieser Untereinheit werden die ersten Mutationen beschrieben, die bei Kindern zu schwerer Entwicklungsretardierung, Leukenzephalopathie und Muskelhypotonie führen. Im weiteren werden Patienten mit isoliertem Komplex III Mangel molekulargenetisch untersucht und klassifiziert. Bei einem Patienten war ein isolierter Komplex III-Mangel und eine Mutation im mitochondrialen Cytochrom b-Gen mit einer septo-optischen Dysplasie vergesellschaftet. Am Ende beschreibt die Arbeit die Probleme der pränatalen Diagnostik mitochondrialer Erkrankungen und die Besonderheiten der genetischen Beratung betroffener Familien. / Mitochondria have a crucial role in the energy metabolism of the cell, since they constitute the main place for ATP-production. Defects in the mitochondrial metabolism are associated with a wide spectrum of diseases. Due to their high energy demand brain and muscles are regularly affected (epilepsy, ataxia, myopathy). This work describes the cloning of nuclear encoded genes of complex I of the mitochondrial respiratory chain. The main interest is directed towards the 51 kDa subunit (NDUFV1) since, due to its NADH2-binding domain, it constitutes the entry port into complex I. Therein the first mutations are described, which lead to severe developmental delay, leukencephalopathy and muscular hypotonia in infants. Additionally patients with isolated complex III-deficiency are examined molecularly and are classified according to their clinical symptoms. In one patient isolated complex III deficiency and a mutation in the mitochondrial cytochrome b-gene are associated with septo-optic dysplasia. At the end problems with prenatal diagnosis of mitochondrial diseases and the peculiarities of genetic counselling of affected families are discussed.

Le complexe bc₁ de la chaîne respiratoire mitochondriale est une bonne cible thérapeutique pour traiter le paludisme car cette enzyme est essentielle au parasite. Ses deux sites actifs, Qo et Qi, formés par le cytochrome b, ne sont pas totalement conservés entre les espèces, facilitant la découverte d’inhibiteurs à affinité différentielle, ce qui est important dans le développement de médicaments. L’atovaquone est le seul antipaludique ciblant le complexe bc₁ utilisé en médecine. L’émergence de résistance rend urgente l’étude de nouveaux inhibiteurs. Les ELQs (Endochin-like Quinolones) sont une classe d’antipaludiques particulièrement prometteuse.Pour étudier la liaison des inhibiteurs dans les sites actifs et l’effet de mutations de résistance, nous utilisons la levure et des méthodes biochimiques et bio-informatiques. Dans ce travail, nous avons étudié la relation entre mutations de résistance à l’atovaquone dans le site Qo et perte de fonction. Nous avons aussi modifié le site Qo de la levure pour qu’il mime mieux le site de l’enzyme du parasite. Les résidus «Plasmodium» altèrent le fonctionnement du site, résultant en une surproduction d’ions superoxides et une perte de croissance respiratoire, qui est restaurée par la modification d’une autre sous-unité du complexe, ISP, partenaire du site Qo, suggérant que les deux sous-unités doivent s’ajuster pour un fonctionnement correct. Nous avons analysé des polymorphismes de la région Qo observés chez l’Homme et trouvé qu’ils peuvent modifier la sensibilité du complexe à l’atovaquone, ce qui pourrait avoir un impact sur les effets secondaires du traitement. Nous avons ensuite étudié le mode d’action d’ELQ-400 et montré que ce nouvel antipaludique cible les deux sites Qo et Qi, ce qui rend l’apparition de résistance peu probable. Enfin, nous avons commencé la reconstruction du site Qi de la levure pour mimer le site du parasite.Les mutants de levure avec un complexe bc₁ «Plasmodium» semblent être de bons outils pour l’étude des inhibiteurs. Leur étude a aussi permis de comprendre mieux la structure et le fonctionnement du complexe bc₁. / The bc₁ complex of the mitochondrial respiratory chain is a good therapeutic target for the treatment of malaria as the enzyme is essential for pathogen proliferation. The two catalytic sites, Qo and Qi, formed by cytochrome b, are not fully conserved between species, facilitating the development of inhibitors with differential saffinity, which is important for the development of new drugs. At present, Atovaquone is the only antimalarial drug targeting the bc₁ complex used in medicine. The emergence of resistance makes it important to find new inhibitors, and the ELQs (Endochin-like Quinolones) are promising antimalarial candidates.In order to study the inhibitor binding to the active sites and the effect of resistance mutations, we have used yeast and a combination of biochemical and bioinformatic methods. We have studied the relationship between atovaquone resistance mutations in the Qo site and loss of function. We have also modified the yeast Qo site to make it more like the parasite site. The “Plasmodium” residues in the yeast Qo site altered its activity, which resulted in the overproduction of superoxide and the loss of respiratory growth. This could be restored by the modification of another bc₁ complex subunit interacting with the Qo site, ISP, suggesting that both these subunits need to be readjusted for correct activity. We then analyzed polymorphisms of the Qo region reported in Humans and found that they could alter the enzyme sensitivity to atovaquone, which could impact the side-effects linked to atovaquone treatment. We have also studied the mode of action of ELQ-400 and showed that this new antimalarial drug targets both the Qo and Qi sites, which would make the emergence of resistance less likely. Finally, we have started the reconstruction of yeast Qi site to make it resemble the parasite site.The yeast mutants with a “Plasmodium-like” bc₁ complex could be useful tools for the study of antimalarial drugs. These analyses have also resulted in a better understanding of the structure and function of the bc₁ complex.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist das Kerngen CBS2 aus Saccharomyces cerevisiae. Cbs2p wird gemeinsam mit Cbs1p spezifisch für die Translation der Cytochrom b (COB)-mRNA in den Mitochondrien benötigt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Charakterisierung funktionell wichtiger Bereiche im N- und C-terminalen Bereich des Proteins, den Nachweis von Protein-Protein Wechelwirkungen, die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen und die Bedeutung des N-terminalen Bereiches für den Import von Cbs2p in die Mitochondrien. Die aminoterminalen 35 Aminosäuren (As) von Cbs2p genügen, um das Reporterprotein Gfp vollständig in die Mitochondrien zu rekrutieren. Dieses Ergebnis zeigt, dass der N-Terminus von Cbs2p den Import von Proteinen in die Mitochondrien vermitteln kann. Da ein N-terminal um 35 As verkürztes Cbs2-Protein ebenfalls noch in den Mitochondrien nachweisbar ist, besitzt Cbs2p wenigstens ein weiteres, vom N-Terminus unabhängiges, internes oder C-terminal lokalisiertes Importsignal für die Mitochondrien. Aufgrund genetischer Daten ist Abc1p ein potenzieller Interaktionspartner von Cbs2p. Es konnte gezeigt werden, dass eine physikalische Wechselwirkung zwischen beiden Proteinen stattfindet. Mittels Blauer Nativ-Gelelektrophorese wurde Cbs2p in einem höher molekularen Proteinkomplex nachgewiesen. Da Cbs2p in der Lage ist, in vitro Homomere zu bilden, sprechen die Daten dafür, das Cbs2p als Multimer in diesem Komplex vorliegt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass der N-Terminus von Cbs2p eine essentielle Rolle bei der Homomerisierung des Proteins spielt. Die vorliegenden Ergebnisse erweitern das von Michaelis et al. (1991) entwickelte Modell der Wirkungsweise der Translationsaktivatoren Cbs1p und Cbs2p wie folgt: Cbs1p und Cbs2p sind mit der inneren Membran assoziiert. Beide Proteine könnten die COB-mRNA an die mitochondriale Innenmembran führen. Der Kontakt zwischen der COB-mRNA und der mitochondrialen Translationsmaschinerie könnte durch die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen hergestellt werden. Nur an der Membran erlaubt die Prozessierungs- und Translationsmaschinerie die Reifung von COB-mRNA und die Synthese und Assemblierung von Cytochrom b. Das Vorliegen von Cbs2p in einem hoch molekularen Komplex und die physikalische Wechselwirkung mit Abc1p könnten ein Hinweis dafür sein, dass die Translation in räumlicher Nähe des Assemblierungsortes von Cytochrom b, dem bc1-Komplex, stattfindet.

In this thesis, phylogenomic and comparative structural analyses of several widespread energy converting enzymes were performed. The focus was on the major subfamilies of the enzymes that process nucleoside triphosphates (ATP and GTP) and on some key enzymes of the electron transfer chains. First, we analyzed the P-loop GTPases, RadA/RecA recombinases, chaperone GroEL, branched-chain α-ketoacid dehydrogenase kinases, chaperone Hsc70, actins, and membrane pyrophosphatases. In the each inspected family we could identify (1) members which were potassium-dependent and/or contained K+ ions in the active site, and (2) potassium-independent enzymes with lysine or arginine residues as catalytic groups that occupy the positions of potassium ions in the homologous, K+-dependent enzymes. Based on the results of our analyses, we suggest that the appearance of the K+-binding sites could precede in evolution the recruitment of positively charged residues (lysine or arginine "fingers") with the latter providing more possibilities to control the enzyme reactions. Second, we have described the distinctive features of a phylogenetically separated subfamily of rotary membrane ATPases which we named N-ATPases. The N-ATPases have a specific operon organization with two additional subunits, absent in other rotary ATPases, and a complete set of Na+-binding ligands in the membrane c-subunits. We made a prediction, which was later confirmed, that these enzymes are capable of Na+ translocation across the membrane and may confer salt tolerance on marine prokaryotes. Third, phylogenomic analysis of the cytochrome bc complexes suggests that these enzyme complexes initially emerged within the bacteria and were then transferred to archaea via lateral gene transfer on several independent occasions. Our analysis indicates that the ancestral form of the cytochrome bc complex was a b6f-type complex; the fusion of the cytochrome b6 and the subunit IV to a "long" cytochrome b of the cytochrome bc1 complexes could have happened in different lineages independently. Fourth, our phylogenomic and comparative structural analyses of the cytochrome bc1 complex and of cytochrome c allowed us to trace how these enzymes became involved in triggering of apoptosis in Metazoa. We could trace the emergence of a specific cardiolipin-binding site within the cytochrome bc complex and the evolution of structural traits that account for the involvement of the cytochrome c as a trigger of apoptosis in vertebrates.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist das Kerngen CBS2 aus Saccharomyces cerevisiae. Cbs2p wird gemeinsam mit Cbs1p spezifisch für die Translation der Cytochrom b (COB)-mRNA in den Mitochondrien benötigt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Charakterisierung funktionell wichtiger Bereiche im N- und C-terminalen Bereich des Proteins, den Nachweis von Protein-Protein Wechelwirkungen, die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen und die Bedeutung des N-terminalen Bereiches für den Import von Cbs2p in die Mitochondrien. Die aminoterminalen 35 Aminosäuren (As) von Cbs2p genügen, um das Reporterprotein Gfp vollständig in die Mitochondrien zu rekrutieren. Dieses Ergebnis zeigt, dass der N-Terminus von Cbs2p den Import von Proteinen in die Mitochondrien vermitteln kann. Da ein N-terminal um 35 As verkürztes Cbs2-Protein ebenfalls noch in den Mitochondrien nachweisbar ist, besitzt Cbs2p wenigstens ein weiteres, vom N-Terminus unabhängiges, internes oder C-terminal lokalisiertes Importsignal für die Mitochondrien. Aufgrund genetischer Daten ist Abc1p ein potenzieller Interaktionspartner von Cbs2p. Es konnte gezeigt werden, dass eine physikalische Wechselwirkung zwischen beiden Proteinen stattfindet. Mittels Blauer Nativ-Gelelektrophorese wurde Cbs2p in einem höher molekularen Proteinkomplex nachgewiesen. Da Cbs2p in der Lage ist, in vitro Homomere zu bilden, sprechen die Daten dafür, das Cbs2p als Multimer in diesem Komplex vorliegt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass der N-Terminus von Cbs2p eine essentielle Rolle bei der Homomerisierung des Proteins spielt. Die vorliegenden Ergebnisse erweitern das von Michaelis et al. (1991) entwickelte Modell der Wirkungsweise der Translationsaktivatoren Cbs1p und Cbs2p wie folgt: Cbs1p und Cbs2p sind mit der inneren Membran assoziiert. Beide Proteine könnten die COB-mRNA an die mitochondriale Innenmembran führen. Der Kontakt zwischen der COB-mRNA und der mitochondrialen Translationsmaschinerie könnte durch die Assoziation von Cbs2p mit mitochondrialen Ribosomen hergestellt werden. Nur an der Membran erlaubt die Prozessierungs- und Translationsmaschinerie die Reifung von COB-mRNA und die Synthese und Assemblierung von Cytochrom b. Das Vorliegen von Cbs2p in einem hoch molekularen Komplex und die physikalische Wechselwirkung mit Abc1p könnten ein Hinweis dafür sein, dass die Translation in räumlicher Nähe des Assemblierungsortes von Cytochrom b, dem bc1-Komplex, stattfindet.