Structure and function of supercomplexes in photosynthetic and respiratory membranes of eukaryotes [Elektronische Ressource] / von Jesco Heinemeyer

Jesco Heinemeyer

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• Biologie

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 35
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Structure and function of supercomplexes in
photosynthetic and respiratory membranes of
eukaryotes






Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

zur Erlangung des Grades

Doktor der Naturwissenschaften

Dr. rer. nat.




genehmigte Dissertation

von

Dipl.-Biol. Jesco Heinemeyer

geboren am 12. Juni 1976 in Hildesheim



2007










































Referent: Prof. Dr. Hans-Peter Braun

Koreferent: Prof. Dr. Udo Schmitz

Tag der Promotion: 11.07.2007 Abstract

During the last few years many reports on the supramolecular organization of the oxidative
phophorylation (OXPHOS) system and photophosphorylation (PHOTPHOS) system have
been published. In both fields of research many supercomplexes with specific compositions
for a number of organisms were described. Interestingly, in the past OXPHOS research was
mainly based on Blue-native polyacrylamide gel electrophoresis (BN-PAGE) while
PHOTPHOS research often used electron microscopy (EM) in combination with single parti-
cle analysis.
By transferring EM in combination with single particle analysis onto the field of OXPHOS
research this thesis provides new results on the supramolecular structure of dimeric ATP syn-
thase of Polytomella mitochondria. It could be demonstrated that the two ATP synthase pro-
tein complexes are connected by their F parts and that their long axes are in an angular orien-0
tation to each other within the supercomplex. The angular association of both complexes is
proposed to induce a bending of the inner mitochondrial membrane (IMM) important for cris-
tae formation. Furthermore, application of EM was utilized for the structural investigation of
the yeast III+IV supercomplex. The results allowed the construction of a pseudoatomic model
and revealed that complex IV monomers are attached to dimeric complex III at opposite sides.
Interaction of complex IV with dimeric complex III takes place in a way that does not occupy
the complex IV sides proposed to be involved in complex IV dimerisation. Due to the ob-
served close proximity of cytochrome c binding sites within the supercomplex a rapid electron
transfer via a ping-pong like mechanism is proposed.
The application of BN-PAGE in the field of PHOTPHOS research allowed verifying the su-
pramolecular structures already described by investigations based on EM for Arabidopsis.
Supercomplexes composed of different numbers of LHC II attached to dimeric PS II as well
as a supercomplex of PS I and LHC I were found. Furthermore, analysis by BN-PAGE pro-
vides evidence that supercomplexes of PS I and the Cyt b f complex are unlikely to exist. This 6
is interesting because these previously proposed structures were assumed to enhance electron
transfer during cyclic electron transport. Finally, using the same experimental approach, this
PhD thesis shows that the respiratory chain of potato is organized in a supercomplex compris-
ing complex I, III and IV. Presence of these so-called “respirasomes”, which previously were
only known for mammals, was described for the first time in plants.





Keywords: Mitochondria, Chloroplasts, Supercomplexes Zusammenfassung

Während der letzten Jahre wurde in vielen wissenschaftlichen Arbeiten gezeigt, dass das Sys-
tem der Oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) und der Photophosphorylierung
(PHOTPHOS) eine supermolekulare Organisation aufweist. In diversen Organismen konnten
für beide Systeme definierte Proteinsuperkomplexe nachgewiesen werden. Dabei ist auffal-
lend, dass in der Forschung am OXPHOS-System häufig die Blau-native Polyacrylamid Gele-
lektrophorese (BN-PAGE) verwendet wurde, während die Forschung am PHOTPHOS-
System oft auf einer Kombination von Elektronenmikroskopie (EM) und einer „single particle
analysis“ basierte.

Durch den Einsatz von EM und der „single particle analysis“ auf dem Gebiet der OXPHOS-
Forschung konnten im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit neue Ergebnisse über die dime-
re ATP-Synthase aus den Mitochondrien von Polytomella erzielt werden. Es konnte gezeigt
werden, dass die monomeren ATP-Synthase Proteinkomplexe durch ihre F -Teile miteinander 0
verbunden sind und dass ihre Längsachsen in einem bestimmten Winkel zueinander stehen.
Es wurde geschlussfolgert, dass diese gewinkelte Anordnung das Biegen der inneren Mito-
chondrienmembran (IMM) verursacht und somit wichtig für die Struktur der Cristae ist. Des
Weiteren wurde die EM für die Untersuchung der Struktur eines Proteinsuperkomplexes aus
Hefe verwendet, der sich aus den Atmungskettenkomplexen III und IV zusammensetzt. Basie-
rend auf dieser experimentellen Strategie war es möglich, ein pseudoatomares Modell dieses
Superkomplexes zu erstellen und zu zeigen, dass Komplex IV Monomere an gegenüberlie-
genden Seiten eines zentral angeordneten Komplex III Dimers binden. Es konnte weiterhin
gezeigt werden, dass die Bereiche, die innerhalb von Komplex IV für eine mögliche Dimeri-
sierung verantwortlich sind, weiterhin frei für eine solche Interaktion sind. Die entdeckte gro-
ße räumliche Nähe der Cytochrom c-Bindestellen der Komplexe III und IV innerhalb des Su-
perkomplexes lassen auf einen schnellen Elektronentransfer durch eine „ping-pong“-artige
Bewegung des Cytochrom c schließen.

Die Tatsache, dass im Bereich der PHOTPHOS-Forschung die Blau-native Gelelektrophorese
bisher kaum eingesetzt wurde, war Anlass für eine genaue Untersuchung der supermolekula-
ren Struktur des PHOTPHOS-Systems in Arabidopsis mit dieser Strategie. Die durch EM
bisher bekannten Superkomplexe, bestehend aus dimerem PS II und LHC II bzw. aus PS I
und LHC I, konnten bestätigt werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Existenz bisher vermuteter Strukturen aus PS I und Cyt. b f eher unwahrscheinlich ist. Dies ist insofern 6
interessant, als dass von diesen vorhergesagten Strukturen angenommen wurde, dass sie die
strukturelle Basis für gesteigerten zyklischen Elektronentransport darstellen. Zu guter letzt
war es durch die Anwendung der Blau-nativen Gelelektrophorese möglich, neue Superkom-
plexe aus der Atmungskette von Kartoffel zu beschreiben. Die Existenz von Superkomplexen
bestehend aus den Komplexen I, III und IV, die auch als „Respirasome“ bezeichnet werden,
war bisher nur für die Säugetiere bekannt.


























Schlagwörter: Mitochondrien, Chloroplasten, Superkomplexe Contents
Chapter 1 General Introduction .................................................................................6
1.1 Processes of energy metabolism in eukaryotic cells
1.2 The Oxidative Phosphorylation System
1.2.1 Subcellular localization
1.2.2 Components of the Oxidative Phosphorylation System
1.3 The Photophosphorylation System
1.3.1 Subcellular localization
1.3.2 Components of the Photophosphorylation System
1.4 New insights into the supramolecular structure of the Oxidative
Phosphorylation System and the Photophosphorylation System
1.4.1 The discovery of protein supercomplexes
1.4.2 New results obtained by Blue-native PAGE
1.4.3 New results obtained by single particle electron microscopy
1.5 Literature cited
Chapter 2 Identification and characterization of respirasomes in ..........................27
potato mitochondria (Plant Physiology 134: 1450-1459)
Chapter 3 Proteomic approach to characterize the supramolecular ......................37
organization of photosystems in higher plants (Phytochemistry 65: 1683–1692)
Chapter 4 Structure of dimeric ATP synthase from mitochondria: An .................47
angular association of monomers induces the strong curvature
of the inner membrane (FEBS Letters 579: 5769–5772)
Chapter 5 A structural model of the cytochrome c reductase / oxidase .................51
supercomplex from yeast mitochondria (JOURNAL OF BIOLOGICAL
CHEMISTRY 282: 12240-12248)
Chapter 6 Respiratory chain supercomplexes in the plant mitochondrial .............60
membrane (TRENDS in Plant Science 11: 232-240)
Chapter 7 Supramolecular structure of the oxidative phosphorylation .................69
system in plants (In “Plant Mitochondria”, Annual Plant Reviews series, Blackwell
Publishing: 171-184)
Chapter 8 Supplementary Discussion and Outlook ..................................................83
8.1 Discussion
8.1.1 Function of OXPHOS supercomplexes
8.1.2 Function of PHOTPHOS supercomplexes
8.2 Outlook
8.2.1 Further investigations of the supramolecular organization
of membrane bound protein supercomplexes
8.2.2 Further investigations of the supram
of membrane bound protein supercomplexes on the basis of DIGE