Biochemical and biophysical analysis of the effects of pathogenic mutations G48S and W348V localized close to the Qi catalytic site on the properties and function of cytochrome bc1

W toku ewolucji bardzo skuteczną metodą przekształcania energii i syntezy ATP stał się transport elektronów, sprzężony z translokacją protonów w poprzek błony. Proces ten zachodzący w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym przekształca energię wytworzoną w rekcjach redoks w siłę protonomotoryczną. Jednym z enzymów wchodzących w skład tego układu jest oksydoreduktaza ubichinol:cytochrom c (kompleks III lub cytochrom bc1). Mechanizm działania tego enzymu oparty jest o cykl Q, polegający na naprzemiennej reakcji utlenienia/redukcji ubichinol/ubichinon w centrach katalitycznych Qo i Qi. Głównym celem prowadzonych badań było poznanie jak na właściwości i działanie cytochromu bc1 wpływają mutacje punktowe G48S i W348V, których odpowiedniki zostały znalezione u pacjentów z chorobą mitochondrialną. Organizmem modelowym wykorzystywanym do badań były bakterie fotosyntetyzujące Rhodobacter capsulatus. Analiza biochemiczna wykazała, że badane muteiny mają niezmieniony skład podjednostkowy w stosunku do szczepu dzikiego. Białko z mutacją G48S charakteryzuje się spowolnionym wzrostem w warunkach fotosyntetycznych i obniżoną aktywnością enzymatyczną. Reakcje indukowane błyskiem światła wskazują na zwiększoną redukcję hemów bH wskutek reakcji odwrotnej, a widma elektronowego rezonansu paramagnetycznego sugerują, że hemy te są w błonach całkowicie zredukowane. Białko z mutacją W348V nie wykazało żadnych różnic w stosunku do szczepu dzikiego. Badania te stanowią początek do dalszej analizy, która może przyczynić się do lepszego zrozumienia mechanizmu działania cytochromu bc1.

The efficient method of converting energy and ATP synthesis conserved in evolution is coupling the electron transport with proton translocation across the membrane. This process takes place in the mitochondrial respiratory chain and converts the energy produced in redox reactions to protonmotive force. The key enzyme in this chain is hydroquinone:cytochrome c oxidoreductase (complex III or cytochrome bc1). This complex operates according to the Q cycle, based on the recurring reactions of ubiquinol/ubiquinone oxidation and reduction in the Qo and Qi catalytic centres. The main goal of this study was to investigate how G48S and W348V mutations affect the properties and function of cytochrome bc1. The equivalents of these mutations have been found in patients with mitochondrial disease. Photosynthetic bacteria Rhodobacter capsulatus were used as a model organism for the analyses of mutated complexes. Biochemical analysis showed that the mutants have the same subunit composition of the complex as wild-type. G34S mutant exhibited slower photosynthetic growth than wild-type and lower turnover rate. Flash light-induced reactions indicate an increased reduction of the heme bH by the reverse reaction. Electron paramagnetic resonance spectra suggest that heme bH are fully reduced in membranes. The analysis of the W348V mutant showed no differences when compared to wild-type. These studies provide a good basis for further analysis, which can lead to a better understanding of the mechanism of cytochrome bc1 catalysis.