Bioenergetiikan avainentsyymin rakenne ja simulaatiot paljastivat substraattimolekyylin

Bioenergetiikan avainentsyymin, hengitysketjun kompleksi I:n, rakenne selvitettiin käyttäen kryoelektronimikroskopiaa. Yhdessä molekyylidynamiikkasimulaatioiden kanssa uusi rakenne paljastaa tärkeän substraattimolekyylin sitoutuneena proteiinin sisällä.

Energia on kaikkien eliöiden elinehto, mutta energian tuottamista molekyylitasolla ei vielä tänäkään päivänä ymmärretä täysin. Biologisen energian tuottamisen ymmärtäminen on kuitenkin edellytyksenä tulevaisuuden myrkyttömien ympäristöystävällisten bioakkujen kehittämisessä. Aerobisissa eliöissä energia tuotetaan hengitysketjuksi kutsuttujen entsyymien avulla. Toimintahäiriöt hengitysketjussa, esimerkiksi oksidatiivinen stressi, mutaatiot jne. voivat aiheuttaa useita sairauksia, joiden hoitomuodot ovat erittäin rajalliset.

Tässä tutkimuksessa Goethe-yliopiston ja Max Planckin biofysiikan instituutin sekä Helsingin yliopiston fysiikan osaston tutkijat tutkivat yhtä hengitysketjun monimutkaisimmista entsyymeistä, kompleksi I:tä. Kompleksi I tekee hienovaraisia elektronien ja protonien siirtoreaktioita ja myötävaikuttaa noin 40 %:iin kaikesta mitokondrioissa tapahtuvasta biologisesta energiantuotannosta. Proteiini onkin yksi suurimmista tunnetuista entsyymeistä 1 mega Daltonin massallaan.

Goethe-yliopistossa ja Max Planckin biofysiikan instituutissa kompleksi I:n rakenne selvitettiin 3.2 Å resoluutiolla Yarrowia lipolytica -hiivasta käyttämällä huippuluokan kryoelektronimikroskopiatekniikoita. Helsingin yliopiston tutkijat tietokonesimuloivat tämän valtavan proteiinin dynamiikkaa hyödyntäen laskuresursseja sekä Suomesta (Center for Scientific Computing) että Espanjasta (Barcelona Supercomputing Center) PRACE-verkoston kautta (Partnership for Advanced Computing in Europe).

Uudesta proteiinirakenteesta tekee merkittävän siinä havaittu kompleksi I:n avainasemassa oleva substraattimolekyyli (ubikinoni, joka joko vastaanottaa tai luovuttaa elektroneja mitokondrioissa) ja erityisesti sen löytyminen sitoutumispaikasta, joka on jo aiemmin ennustettu molekyylidynamiikkasimulaatioilla. Käytetty laskennallinen menetelmä, molekyylidynamiikkasimulaatiot, ovat fysiikkaan, erityisesti klassiseen mekaniikkaan, perustuva metodi proteiinien dynamiikan laskennalliseen tutkimukseen.

— Meidän yhteistyömme, rakennebiologian yhdistäminen tietokonesimulaatioihin, osoittaa jälleen kerran tiederajat ylittävän yhteistyön tärkeyden monimutkaisten biologisten kysymysten ratkaisemisessa. Lisäksi, kinonimolekyylin havaitseminen sitoutumispaikassa, jonka meidän simulaatiomme jo aiemmin ennustivat, vahvistaa tietokonesimulaatioiden keskeistä roolia entsyymikatalyysin tutkimisessa”, sanoo Vivek Sharma, joka johti projektia fysiikan osastolla Helsingin yliopistossa.

Julkaisu

Kristian Parey, Outi Haapanen, Vivek Sharma, Harald Köfeler, Thomas Züllig, Simone Prinz, Karin Siegmund, Ilka Wittig, Deryck J. Mills, Janet Vonck, Werner Kühlbrandt and Volker Zickermann. High-resolution cryo-EM structures of respiratory complex I: Mechanism, assembly, and disease. Science Advances 11 Dec 2019.

Aiemmat julkaisut

Redox-coupled quinone dynamics in the respiratory complex I. PNAS Sep 2018.

Role of Second Quinone Binding Site in Proton Pumping by Respiratory Complex I. Front. Chem. Apr 2019.

Contact details

Vivek Sharma (vivek.sharma@helsinki.fi)

Bilayer of yellow balls in greenish structure.

Hengitysketjun kompleksi I:n rakenne lipidikalvossa. Kuva: Outi Haapanen.