Cytochrom bc1 spielt eine zentrale Rolle bei der Zellatmung und der Photosynthese und katalysiert energiesparende Reaktionen unter Beteiligung von Coenzym Q – einem Molekül mit einer chemisch reaktiven Kopfgruppe und einem langen hydrophoben Schweif, der seine Beweglichkeit innerhalb der Membran gewährleistet. Die beiden katalytischen Stellen des Enzyms funktionieren sehr unterschiedlich: Eine wechselt durch die Bewegung einer Proteindomäne, die ein Eisen-Schwefel-Cluster trägt, zwischen aktivem und inaktivem Zustand.
Die neuen Strukturen zeigen, dass Coenzym Q an dieser dynamischen Stelle seinen Schweif in einer Spalte verankert, die durch den Komplex verläuft. Erst wenn die Stelle aktiv ist, kann die Kopfgruppe in eine Tasche nahe dem Eisen-Schwefel-Cluster eindringen; im inaktiven Zustand hält eine sterische Hinderung sie sicher außerhalb und hält sie in der Nähe fest, bis das Enzym bereit ist. „Dieser Schutzmechanismus verhindert, dass die Kopfgruppe des Coenzyms Q unerwünschte Reaktionen eingeht, die auftreten könnten, wenn sie in die Tasche eindringen würde, während sich die bewegliche Domäne in der inaktiven Position befindet“, erklärt Sebastian Glatt (Vetmeduni). „Solche Reaktionen könnten zu einer ineffizienten Energiespeicherung durch den Komplex führen.“
An der zweiten Stelle ist die Strategie umgekehrt: Die Kopfgruppe wird sofort in einer katalytisch aktiven Position fixiert, während der Schweif beweglich bleibt. Artur Osyczka (Jagiellonen-Universität) fasst zusammen: „Cytochrom bc1 nutzt zwei unterschiedliche Strategien zur Bindung von Coenzym Q, was die unterschiedliche Architektur und die funktionellen Eigenschaften seiner katalytischen Stellen widerspiegelt. An der dynamischen Stelle wird Coenzym Q zunächst ‚am Schwanz eingefangen‘, bevor seine Kopfgruppe für die chemische Reaktion fixiert wird. An der strukturell stabilen Stelle wird es „am Kopf eingefangen“, während sein Schweif beweglich bleibt.“
Die Studie ist die dritte Veröffentlichung, die aus der fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den Forschungsgruppen unter der Leitung von Professor Osyczka und Professor Glatt hervorgegangen ist. Die Strukturen wurden anhand von Daten bestimmt, die mit einem Titan Krios G3i-Kryo-Elektronenmikroskop am Nationalen Synchrotronstrahlungszentrum SOLARIS in Polen erhoben wurden.
Veterinärmedizinische Universität Wien
Originalpublikation:
R. Pietras, A. Wójcik-Augustyn, B. Mielecki, M. Sarewicz, M. Jaciuk, Ł. Koziej, S. Glatt und A. Osyczka: Distinct ubiquinone binding at the oxidation and reduction sites of cytochrome bc1, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 2026, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2618242123
