Superkomplexe aus Algen und Cyanobakterien - Isolierung, Charakterisierung und strukturelle Untersuchung

Seit über 10 Jahren ist bekannt, dass in Mitochondrien von Säugetieren, Pilzen, höheren Pflanzen und Algen die Atmungskettenkomplexe I, III und IV stöchiometrisch als Proteinsuperkomplexe zusammengelagert sind. Diese Superkomplexe bestehen in den bisher bekannten Formen aus einer Kopie von Komplex I, einem Homodimer von Komplex III, welcher nur als solcher aktiv ist, und einer unterschiedlichen Anzahl (0-4) an Komplex IV. Vermutlich erfolgt der Elektronentransport zwischen den Atmungskettenkomplexen wesentlich effizienter, wenn diese nicht in individueller Form sondern als Superkomplexe vorliegen. Die ATP-Synthase in Mitochondrien und Chloroplasten existiert ebenfalls in oligomerer Form. Denkbar ist, dass Dimere dieses Enzymkomplexes strukturgebend für Krümmungen von inneren Membranen in Mitochondrien und Chloroplasten sind. Ziel meiner Arbeit war es, neue Einblicke in die Struktur und Funktionsweise von pflanzlichen Proteinsuperkomplexen sowie ATP-Synthase-Dimeren aus Chloroplasten zu erhalten. Hierzu erfolgten biochemische Charakterisierungen und strukturelle Untersuchungen an Proteinen und Organellen aus verschiedenen einzelligen Organismen (C. reinhardtii, E. gracilis, A. longa, N. muscorum und C. paradoxa). Mit Hilfe der Einzelpartikelanalyse wurden hochreine, isolierte Proteinsuperkomplexe elektronenmikroskopisch abgebildet. Mittels dieser Methode konnte ein Einblick in die Struktur eines Superkomplexes mit einer apparenten Masse von ca. 2000 kDa aus E. gracilis-Mitochondrien erhalten werden. Für Struktur-Untersuchungen von ATP-Synthase-Dimeren direkt in Chloroplasten kam die Cryo-Elektronen-Tomographie zum Einsatz, mittels derer verschiedene Ebenen innerhalb von Thylakoidmembranen inklusive der darin enthaltenen Proteinkomplexe abgebildet wurden. Um die hohen Anforderungen an die Probenreinheit für elektronenmikroskopische Untersuchungen zu erfüllen, bestand ein weiteres Ziel meiner Arbeit darin, sowohl reine Proteinsuperkomplexe in ausreichend hoher Konzentration zu isolieren als auch wenig verunreinigte Chloroplasten aus Organellengemischen zu erhalten. Hierzu wurden Proteingemische über Saccharose-Dichtegradienten bzw. verschiedener Arten der nativen Polyacrylamidgelelektrophorese (CN-, BN-PAGE) aufgetrennt und per Elution aus diesen Gelen die gereinigten Proteinkomplexe isoliert. Zur Reinigung von Organellengemischen kamen Dichtegradientenzentrifugationen mit Gradientenlösungen niedriger Osmolarität zum Einsatz