Computational Study of Lipid–Protein Interactions of Cytochrome bc1 Using Atomistic Molecular Dynamics Simulations

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017121155615
Title: Computational Study of Lipid–Protein Interactions of Cytochrome bc1 Using Atomistic Molecular Dynamics Simulations
Author: Aho, Noora
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Thesis level: master's thesis
Abstract: Sytokromi bc1, toiselta nimeltään kompleksi III, on soluhengitykseen kuuluvan elektroninsiirtoketjun kolmas komponentti. Soluhengitys on elävien solujen pääasiallinen energiantuottamisprosessi. Kompleksi III:n toiminta ubikinonin pelkistyessä perustuu elektronien siirtämiseen ubikinonilta sytokromi c:lle. Elektroninsiirto on kytketty protonien pumppaamiseen mitokondrion sisemmän kalvon yli. Näin kompleksi III osallistuu elektrokemiallisen gradientin muodostamiseen, joka vaaditaan ATP-syntaasin toimimiseen. Kardiolipiineillä, joiden osuus mitokondrion sisemmän kalvon lipideistä on jopa 20 mol %, on tärkeä osa kalvon rakenteen ja dynamiikan sekä koko elektroninsiirtoketjun toiminnan ylläpitämisessä. Kardiolipiinit ovat erityisen herkkiä reaktiivisten happiradikaalien aikaansaamalle hapettumiselle johtuen niiden dimeerisestä rakenteesta ja neljästä tyydyttymättömästä hiilivetyketjusta. Sytokromi bc1 on yksi suurimmista reaktiivisten happiradikaalien tuottajista mitokondriossa, mikä kasvattaa kompleksiin tiukasti sitoutuneiden kardiolipiinien hapettumisriskiä. Oksidatiivinen stressi ja kardiolipiinien hapettuminen on yhdistetty esimerkiksi ohjelmoituun solukuolemaan ja ikääntymiseen sekä Alzheimerin ja Parkinsonin tautien kehittymiseen. Tämän työn tavoitteena oli rakentaa uusi laskennallinen malli sytokromi bc1:stä solukalvossa, ja tutkia sen avulla proteiini-lipidi -vuorovaikutuksia käyttäen atomaarisia molekyylidynamiikkasimulaatioita. Malli rakennettiin asettamalla korkearesoluutioinen rakenne kompleksista mitokondrion sisempää kalvoa matkivaan kaksoiskalvoon. Neljä 1 μs atomistista simulaatiota paljastivat kardiolipiinin mahdollisia sitoutumiskohtia ja antoivat tietoa kardiolipiinin hapettumisen vaikutuksista kompleksiin. Yhteensä kahdeksan kardiolipiinin sitoutumiskohtaa ja niiden tärkeimmät aminohapot identifioitiin. Kuusi sitoutumiskohdista täsmäävät aiempiin tutkimuksiin. Kahden uuden sitoutumispaikan määritys tuo lisäksi aivan uutta tietoa. Kardiolipiinin hapettumisen vaikutuksia tutkittiin lisäämällä kolmeen tiukasti sitoutuneen kardiolipiinin hiiliketjuun karboksyylihappo- tai hydroperoksiryhmä. Hapettuminen muutti kardiolipiinin vuorovaikutuksia proteiinin sekä ympäröivien veden kanssa. Kun hiiliketju oli hapettunut, huomattiin vesimolekyylien määrän kasvavan sen läheisyydessä. Lisäksi huomattiin hapetetun kardiolipiinin asennon muuttuvan, kun sen hiiliketjut kääntyvät kohti lipidin polaarista päätä tai kurottautuvat kohti kaksoislipidikalvon vastakkaista puolta. Kardiolipiinin hapettuminen lisäsi poolisten ja varauksellisten aminohappojen määrää hiilivetyketjujen ympärillä.Cytochrome bc1, also known as complex III, is the third enzyme of the electron transfer chain in cellular respiration, which is the main process generating energy in living cells. Complex III operates by oxidizing ubiquinol, and transferring two electrons to cytochrome c, while reducing ubiquinone. The electron transfer is coupled to proton translocation across the inner mitochondrial membrane. Thus, complex III contributes to generation of a proton electrochemical gradient, which is required for the function of ATP synthase. Cardiolipins (CLs), constituting up to 20 mol % of lipids in the inner mitochondrial membrane, have an important role in the structure and dynamics of the membrane, as well as in maintaining the correct function of the whole electron transfer chain. Cardiolipins are especially vulnerable to oxidation by reactive oxygen species (ROS) due to their dimeric structure with four doubly unsaturated acyl chains. Cytochrome bc1 is one of the main producers of ROS in mitochondria, increasing the exposure of tightly bound CLs to oxidation. Oxidative stress and CL oxidation have been associated with, for instance, programmed cell death and aging, and developing Alzheimer's and Parkinson's diseases. The objective of this thesis was to build a new computational model of cytochrome bc1 in a membrane, and to study the lipid interactions of complex III using atomistic molecular dynamics simulations. A model system with a high-resolution structure of complex III, embedded in a multicomponent bilayer mimicking the inner mitochondrial membrane was constructed. Four atomistic simulations of 1 μs each were performed to reveal possible cardiolipin binding sites and to examine the effects of CL oxidation on the complex. Altogether, eight CL binding sites on cytochrome bc1 were found, out of which two have not been suggested previously. The key residues of each binding site were listed, to compare with earlier results, and to identify the new binding sites in detail. In order to investigate the effects of CL oxidation, carboxylic acid and hydroperoxyl groups were attached to the acyl chains of three crystallographically resolved CLs. The oxidized region of the CL tails changed the nature of interactions with the protein and the surrounding water. As the tail was oxidized, the results showed an increase in the number of water molecules surrounding it. Additionally, the oxidized tails were found to affect the configuration of CL by bending the tail towards the lipid headgroup, or by reaching out to the water interface of the opposite leaflet. Normally, the acyl chains of CL mostly interact with the nonpolar residues of the protein. After oxidation, the number of polar and charged amino acids in the vicinity of the acyl chain increased.
URI: URN:NBN:fi-fe2017121155615
http://hdl.handle.net/10138/229327
Date: 2017
Discipline: Fysik
Physics
Fysiikka


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
thesis_noora_aho.pdf 16.01Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record