null atomistic insights into the structure of a key bioenergetic protein

Hengitysketjun kompleksi I:n rakenne lipidikalvossa. Kuva: Outi Haapanen, Helsingin yliopisto.

Kokeet ja simulaatiot paljastivat solujen energiantuotannon keskeisen entsyymin rakenteesta uutta atomitason ymmärrystä

Tommi Kutilainen

Soluhengitys on solujen energia-aineenvaihduntaa, jossa solut vapauttavat ravinnon sisältämää energiaa käyttöönsä. Soluhengitys tapahtuu solujen mitokondrioissa, joissa elektroninsiirtoketju (hengitysketju) ohjaa ATP:n synteesiä. ATP on solujen käyttämä energiamuoto.

Tutkijat Suomesta ja Saksasta selvittivät kokeellisin ja laskennallisin menetelmin soluhengityksessä keskeisen entsyymin eli hengitysketjun kompleksi I:n rakenteen ja löysivät tähän proteiiniin sitoutuneen tärkeän substraattimolekyylin.

Hengitysketjun kompleksi I tekee hienovaraisia elektronien ja protonien siirtoreaktioita ja vaikuttaa merkittävästi mitokondrioissa tapahtuvaan biologiseen energiantuotantoon.

Laskentaa CSC:n ja PRACE:n resursseilla

Saksalaisessa Goethe-yliopistossa ja Max Planckin biofysiikan instituutissa kompleksi I:n rakenne selvitettiin 3.2 Å (1 ångström = 10–10 m = 0,1 nanometriä) resoluutiolla Yarrowia lipolytica -hiivasta erittäin tarkan kryoelektronimikroskopian avulla.

Helsingin yliopiston tutkijat tutkivat tätä entsyymin rakennetta korkean resoluution molekyylidynamiikkasimulaatioiden avulla. Simuloidun systeemin koko oli noin 1,3 miljoonaa atomia ja simulaatioiden aikaskaala mikrosekunneissa.

Uudesta rakenteesta 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.

– Tietokonesimulaatioiden tulokset täydensivät rakenteellista ja biokemiallista tietoa, mikä johti parempaan ymmärrykseen biologisen energian muuntamisesta, sanoo tutkija Outi Haapanen Helsingin yliopistosta.

Tutkimus käytti CSC:n Grand Challenge -resursseja ja PRACE-verkoston kautta Barcelonan supertietokonekeskuksen resursseja.

– 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.

 

Helsingin yliopiston tiedote Bio­ener­ge­tii­kan avai­nent­syy­min ra­ken­ne ja si­mu­laa­tiot pal­jas­ti­vat sub­straat­ti­mo­le­kyy­lin

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.

Aikaisempia artikkeleita

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.