title: On the mechanism of electron bifurcation by electron transferring flavoprotein and butyryl-CoA dehydrogenase
title: Der Mechanismus der Elektronen-Bifurkation durch das Elektronen-Transferring Flavoprotein und Butyryl-CoA Dehydrogenase
Creators: name: Chowdhury, Nilanjan Pal
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Electron Bifurcation
Elektron
Proteine
Energy conservation
Bakterien
Biowissenschaften, Biologie

description: Die auf Flavinen basierende
      Elektronen-Bifurkation (FBEB), die 2008 erstmalig beschrieben
      wurde, ist eine neue Art der der energetischen Kopplung in
      anaeroben Bakterien und Archaeen. Der Komplex aus dem
      Elektronen-transferierenden Flavoprotein und
      Butyryl-CoA-Dehydrogenase (Etf/Bcd) katalysiert die die
      Reduktion von Crotonyl-CoA zu Butyryl-CoA (E0′=10 mV) mit
      NADH (E0′= 320 mV) nur in Gegenwart von Ferredoxin (E0′=
      420 mV). Während der Elektronenbifurkation finden die beiden
      Elektronen des NADH ihre Ziele in verschiedenen Richtungen,
      eines geht exergon zum Crotonyl-CoA während das andere
      endergon zum Ferredoxin übertragen wird. Wiederholung dieses
      Prozesses liefert Butyryl-CoA und ein zweites reduziertes
      Ferredoxin. Letzteres reduziert entweder Protonen mit einer
      löslichen Hydrogenase unter Bildung von Wasserstoff oder NAD+
      mit einer membranständigen Ferredoxin-NAD-Reduktase (Rnf)
      unter Bildung eines elektrochemischen Na+-Gradienten, der zur
      ATP-Synthese dient. In der vorliegenden Arbeit habe ich den
      dissoziierbarenEtf/Bcd Komplex aus Acidaminococcus fermentans
      untersucht. Die Kristallstruktur des heterodimeren Etfs
      zeigte das Vorhandensein von zwei FAD-Molekülen, jedes in
      einer Untereinheit, wobei NAD+ neben dem FAD der
      -Untereinheit (-FAD) bindet. Bei stufenweiser Zugabe von
      NADH zum Etf wird zuerst das FAD der α-Untereinheit (α-FAD)
      über das stabile anionische Semichinon (α-FAD•) zum FADH
      reduziert, während das zweite NADH das -FAD zum -FADH
      reduziert. In Gegenwart von Bcd benötigte die Reduktion zum
      α-FAD• ein ganzes Äquivalent NADH. Bei der Bifurkation
      erhöhte die stufenweise Zugabe von Etf zur Bcd die Oxidation
      sgeschwindigkeit von NADH bis eine molares Verhältnis von
      Etf:Bcd (tetramer) = 2 erreicht war. Die nicht
      dissoziierbaren Etf/Bcd Komplexe der Clostridien sind ebenso
      zusammengesetzt. Das optimale Verhältnis Ferredoxin:Etf:Bcd =
      4:2:1 in Gegenwart von Hydrogenaselässt vermuten, dass
      Ferredoxin (Fd) unter Fließ gleichgewichtsbedingungen (steady
      state) zwischen einfach (Fd) und doppelt reduziertem Zustand
      (Fd2) hin und her pendelt. Unser postulierter Mechanismus
      der Elektronen-bifurkation beginnt mit der Reduktion des
      -FAD durch NADH zum FADH. Dann nähert sich das α-FAD, das
      auf einer flexiblen Domäne sitzt, und schnappt sich ein
      Elektron, das es zum stablisierten α-FAD• reduziert. Das
      zurückbleibende hochreaktive -FADH• reduziert unverzüglich
      Ferredoxin.Das α-FAD• überträgt sein Elektron weiter auf
      Bcd. Bei Wiederholung der Bifurkation wird ein zweites
      Ferredoxin reduziert und Bcd bekommt das zweite Elektron zur
      Reduktion von Crotonyl-CoA. Weiterhin zeige ich, dass das
      gelbe Flavodoxindas braune Ferredoxin ersetzen kann. NAD+
      oxidiert die farblose Hydrochinon-Form des Flavodoxins (E0′=
      420 mV) mit Rnf zur blauen Semichinon-Form (E0′= 60 mV) und
      pendelt so zwischen den Hydrochion- und Semchinon-Formen hin
      und her. Ich untersuchte auch den sehr ähnlichen
      bifurkierenden Etf/Bcd Komplex aus Megasphaera elsdenii. Nach
      früheren Arbeiten benötigt die scheinbare Reduktion von
      Crotonyl-CoA zu Butyryl-CoA mit NADH kein Ferredoxin. Ich
      fand, dass unter aeroben Bedingungen der Sauerstoffanstelle
      von Ferredoxin als Elektronenakzeptor dient und zu H2O2
      reduziert wurde. Die bis zu 50% ige Hemmung der
      NADH-Oxidation durch Superoxid-Dismutase lässt vermuten, dass
      die langsame Reduktion von O2 zu O2• von einer sehr
      schnellen Reduktion von O2• zu H2O2 gefolgt wird.
      Interessanterweise wurden die gleichen NADH Oxidationsraten
      auch in Gegenwart von Butyryl-CoA beobachtet. Wir
      postulieren, dass die Oxidation von Butyryl-CoA zu
      Crotonyl-CoA durch Sauerstoff von einer bifurkierenden
      Reduktion von Crotonyl-CoA durch NADH gefolgt wird. Demnach
      fungiert der Etf/Bcd Komplex an Luft in Gegenwart von
      katalytischen Mengen an Crotonyl-CoA oder Butyryl-CoA als
      NADH-Oxidase
description: Flavin-based electron bifurcation
      (FBEB), discovered in 2008, is a novel mode of energy
      coupling in anaerobic bacteria and archaea. The complex of
      electron-transferring flavoprotein and butyryl-CoA
      dehydrogenase (Etf/Bcd) mediates the reduction of
      crotonyl-CoA (E0′=10 mV) by NADH (E0′= 320 mV) only in
      presence of ferredoxin (E0′= 420 mV). During electron
      bifurcation, the two electrons from NADH find their
      destination in two different directions; one goes
      exergonicllay to crotonyl-CoA and the other moves
      endergonically to ferredoxin. Repetition of this process
      yields butyryl-CoA and a second reduced ferredoxin. The
      latter reduces either protons to give hydrogen via a soluble
      hydrogenase or NAD+ via the membrane-bound ferredoxin-NAD+
      reductase (Rnf). The thereby formed electrochemical
      Na+-gradient is used for ATP synthesis. In this thesis, I
      have studied the dissociable Etf/Bcd complex from
      Acidaminococcus fermentans. The crystal structure of the
      heterodimeric Etf revealed the presence two FAD molecules,
      each bound to one subunit. NAD+ binds near the FAD of the
      smaller β-subunit (-FAD). Upon stepwise addition of NADH to
      Etf, first the FAD of the α-subunit (α-FAD) was reduced to
      FADH via the stable anionic semiquinone (α-FAD•). The
      second equivalent NADH reduced -FAD.In the presence of Bcd,
      reduction to α-FAD• required a whole equivalent of NADH.
      During the bifurcation process, stepwise addition of Etf to
      Bcd increased the rate of NADH oxidation until a molar ratio
      of Etf:Bcd (tetramer) = 2 was reached. The non-dissociable
      clostridial Bcd/Etf complexes have the same composition. The
      optimal ratio of ferredoxin: Etf: tetrameric Bcd in the
      presence of hydrogenase was 4:2:1, suggesting that under
      steady state conditions ferredoxin shuttles between the
      semireduced (Fd─) and completely reduced states (Fd2─). Our
      postulated mechanism of electron bifurcation starts with the
      reduction of -FAD by NADH to FADH. Then α-FAD, which is
      located on a flexible domain, approaches and takes one
      electron to yield the stabilized semiquinone α-FAD•. The
      remaining highly reactive electron on -FADH• is not
      stabilized and immediately reduces ferredoxin. The α-FAD•
      transfers its electron further to Bcd. After repetition of
      the bifurcation, a second reduced ferredoxin is formed and
      Bcd gets a second electron to reduce crotonyl-CoA. FurtherI
      illustrate that the brownish ferredoxin can be replaced by
      the bright yellow flavodoxin in the bifurcation process. The
      colorless hydroquinone of flavodoxin (E0′= 420 mV) can be
      reoxidized by NAD+ via Rnf to its blue semiquinone form (E0′=
      60 mV) and thus shuttles between the semiquinone and
      hydroquinone forms. I also investigated the very similar
      bifurcating Etf/Bcd complex from Megasphaera elsdenii. In
      older studies, an apparent reduction of crotonyl-CoA by NADH
      was achieved without the need of ferredoxin. I found that
      under aerobic conditions oxygen fulfilled the need of
      ferredoxin and was reduced to hydrogen peroxide (H2O2). The
      up to 50% inhibition of the rate of NADH oxidation by
      superoxide dismutase suggested that the slow reduction of
      oxygen to superoxide (O2•) was followed by a fast reduction
      of O2• to H2O2. Interestingly, the same rates of NADH
      oxidation were observed by replacing crotonyl-CoA with
      butyryl-CoA. We propose an oxidation of butyryl-CoA by oxygen
      followed by the bifurcating reduction of crotonyl-CoA by
      NADH. Hence, under air and in the presence of catalytic
      amounts of crotonyl-CoA or butyryl-CoA, Etf/Bcd acts as NADH
      oxidase