Structural studies on terminal oxidases and an electron donor to a terminal oxidase

Membranes are essential for life, because a cell must separate itself from the environment to keep its molecules from dissipating away and also must keep out foreign molecules that disturb them or their cell components. However, the cell must communicate with the environment and adapt to the external conditions, needs to pump in nutrients and release toxic products of its metabolism. Membrane proteins present in the membranes of the cell and cell organelles, help the cell to gather information about the environment and perform various biological processes. Membrane proteins perform a wide range of biological functions including respiration, signal transduction and transport. Despite their high importance in biological function, only few structures have been determined because of the difficulties in producing high amounts of membrane proteins and obtaining good quality crystals. This Ph. D. thesis involves the study of different kinds of cytochrome oxidases and a membrane anchored cytochrome oxidase electron donor. Though structures of many cytochrome oxidases are known to date, there exist many different types of oxidases in different organisms, which help the organism to survive under unfavorable environmental conditions. The structural differences between these terminal oxidases which make the organism to survive in extreme environments are unclear. To investigate these, structures of different types of oxidases are necessary. Therefore, we are interested in revealing the structural details of different types of oxidases. The different types of oxidase I worked with were the caa3 HiPIP:oxygen oxidoreductase from Rhodothermus marinus, the aa3-type quinol oxidase from Acidianus ambivalens and bd-type quinol oxidase from three different organisms (Escherichia coli, Bacillus thermodenitrificans and Aquifex aeolicus). Besides the protein from E. coli all other proteins are from thermophilic organisms from which the proteins obtained are generally believed to be highly stable. The presence of a high content of charged amino acids that enhances the occurrence of salt bridges contributes to the stability of thermophilic proteins. ....Biologische Zellen sind von ihrer Umgebung durch Membranen (Lipiddoppelschichten) abgetrennt. Diese verhindern, dass Moleküle aus dem zellinnere entweichen, bzw. fremde Moleküle, in sie eindringen. Gleichwohl muss die Zelle mit ihrer Umgebung kommunizieren können, z. B. um sich an extrazelluläre Bedingungen anzupassen oder um Nahrungsmittel in die Zelle und toxische Stoffwechselverbindungen aus der Zelle zu transportieren. Darüber hinaus ermöglicht es die elektrisch isolierende Membran zwischen Innerem und Äußerem der Zelle einen elektrochemischen Gradienten aufzubauen, der für lebenswichtige Vorgänge wie Signalübertragung oder Energiespeicherung genutzt wird. Zur Verwirklichung der genannten Vorgänge auf molekularer Ebene spielen Membranproteine, welche die Membran von Zellen und Zellorganellen durchspannen, eine Schlüsselfunktion. Trotz ihrer überragenden Bedeutung ist ihre Funktionsweise in den meisten Fällen noch nicht verstanden. Grund dafür ist hauptsächlich der Mangel an strukturellen Informationen. Es ist nach wie vor schwierig, Membranproteine in großen Mengen, homogen und rein herzustellen, und Kristalle mit hoher Streukraft zu züchten. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit strukturellen Untersuchungen an verschiedenen Cytochrom Oxidasen und an einem Elektronentransferprotein, das Elektronen auf eine Cytochrom Oxidase überträgt. Cytochrom Oxidasen sind integrale Membranproteinkomplexe, die für die Energiegewinnung der Zelle essentiell sind. Sie reduzieren Sauerstoff zu Wasser und setzen die freie Enthalpie dieser Reaktion in einen Protongradienten um. Obwohl Cytochrom Oxidasen aus einer Reihe von Organismen bereits strukturell untersucht wurden, bleiben sie ein aktuelles strukturbiologisches Forschungsgebiet, da die Evolution trotz der Komplexität der Reaktion eine große Vielfalt an unterschiedlichen Cytochrom Oxidase -Typen entwickelt hat, vermutlich um Organismen eine optimale Anpassung an ihre Lebensräume zu ermöglichen. Die Anpassung ist bisher auf struktureller Ebene noch kaum verstanden und sollte im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht werden. Als Modellenzyme dienten die caa3 HiPIP:O2 Oxidoreduktase aus Rhodothermus marinus, die aa3 Quinol Oxidase aus Acidianus ambivalens und die bd Quinol Oxidasen aus den Organismen Escherichia coli, Bacillus thermodenitrificans und Aquifex aeolicus. Mit Ausnahme des Proteinkomplexes aus E. coli wurden nur Proteine aus thermophilen Organismen verwendet, da sie in der Regel stabiler sind und sich daher für strukturelle Untersuchungen besser eignen. ...