Papers by Bernhard Kadenbach
Fortschritte der Medizin, Jan 20, 1995
Biological chemistry Hoppe-Seyler, 1993
In extraocular muscle tissue of elderly humans small amounts of point mutations in tRNA genes of ... more In extraocular muscle tissue of elderly humans small amounts of point mutations in tRNA genes of mitochondrial DNA (mtDNA) were identified by point mutation-specific PCR. These mutations were not found in navel-string samples from newborns. While the mutations in tRNA(Leu(UUR)) (np 3243) and tRNA(Gly) (np 10006), previously identified in patients with MELAS and CIPO, respectively, were found in most elderly people, the mutations in tRNA(Ser(GCU)O (np 12246) and tRNA(Asn) (np 5692), identified in patients with CIPO and CPEO, respectively, were found only in two of 15 tissue samples from different individuals. The data suggest that some nucleotides of mtDNA represent "hot spots" for somatic mutations, which contribute to human aging.
Biochimica Et Biophysica Acta (bba) - Nucleic Acids and Protein Synthesis - BIOCHIM BIOPHYS ACTA NUCLEIC ACIDS PROTEIN SYNTH, 1967
I. Isolated rat-liver mitochondria incorporate labelled amino acids prefereno, of incorporated ac... more I. Isolated rat-liver mitochondria incorporate labelled amino acids prefereno, of incorporated activity is found in tially into the structural protein. Only 22 /o other structurally bound proteins. No incorporation is observed into any soluble protein (enzyme).
Neurology, 1991
We studied three patients with Leigh's syndrome (LS) and cytochrome c oxidase (COX) defic... more We studied three patients with Leigh's syndrome (LS) and cytochrome c oxidase (COX) deficiency. Biochemical studies in brain, muscle, heart, liver, kidney, and fibroblasts disclosed a generalized COX deficiency. Kinetic studies of COX activity in brain mitochondria showed a low Vmax and a normal Km for reduced cytochrome c. Immunologic studies showed decrease of all COX subunits studied, without a specific defect of any one of them. Southern blot analysis excluded large deletions of mitochondrial DNA (mtDNA) but revealed a generalized increase in mtDNA quantity. Although Northern blot analysis showed no alteration in the 12 COX subunit mRNAs studied, two of three patients showed a decreased steady state rate of COX transcription in brain. COX deficiency in LS thus appears to be related to a decreased amount of otherwise normal COX holoenzyme.
Geochimica et Cosmochimica Acta, 1996
Biochemical and Biophysical Research Communications, May 15, 1989
Chemie in unserer Zeit, 2015
Angewandte Chemie, 2006
ABSTRACT Vor ca. 50 Jahren erhielt Otto Warburg für seine grundlegenden Arbeiten über das “Atmung... more ABSTRACT Vor ca. 50 Jahren erhielt Otto Warburg für seine grundlegenden Arbeiten über das “Atmungsferment” den Nobelpreis. Doch erst gegen Ende der fünfziger Jahre gelang die Isolierung dieses komplizierten Membranenzyms, das für Atmung und Energiegewinnung der meisten Lebewesen auf der Erde unentbehrlich ist. Seitdem wurden intensive Untersuchungen durchgeführt, um den Mechanismus der Sauerstoffreduktion zu Wasser und die daran gekoppelte Protonentranslokation über die Membran, die zur ATP-Synthese dient, zu verstehen. Die Erkenntnisse sind bisher allerdings unbefriedigend, nicht zuletzt deshalb, weil die vier Schwermetall-Redeoxzentren an Proteine gebunden sind, deren Struktur zu erforschen erst in jüngster Zeit begonnen wurde. Dabei entdeckte man, daß Cytochrom-c-Oxidase aus Bakterien nur zwei oder drei, der tierische Enzymkomplex dagegen dreizehn Protein-Untereinheiten enthält. In diesem Beitrag werden die möglichen Funktionen der einzelnen Protein-Untereinheiten erörtert; am Beispiel der Cytochrom-c-Oxidase wird gezeigt, daß die biochemische Evolution eine Zunahme an regulatorischer Kapazität mit sich bringt.
Angewandte Chemie, 1995
Paracoccus denitrificans und Rinderherzzum molekularen Mechanismus der Zellatmung Bernhard Kadenb... more Paracoccus denitrificans und Rinderherzzum molekularen Mechanismus der Zellatmung Bernhard Kadenbach" Schon vor 34 Jahren, zwei Jahre nach der ersten hochauflosenden Kristallstrukturanalyse eines Proteins (Myoglobin) durch Kendrew, wurden von Yonetani Kristalle der Cytochrom-c-Oxidase (COX) aus Rinderherz erhalten"], doch alle bisherigen Versuche, die raumliche Struktur dieses Enzyms auf atomarer Ebene zu bestimmen, scheiterten an der schlechten Qualitat der Kristalle[*l. Jetzt wurden nahezu gleichzeitig die Kristallstrukturen der oxidierten COX aus Paracoccus denitrzficans von Michel und Mitarbeiter~~'~] und der aus Rinderherz von Yoshikawa und MitarbeiternL4I mit hoher Auflosung (2.8 A) bestimmt, wobei grundsatzlich unterschiedliche Ansatze zum Erfolg fiihrten. Michel und Mitarbeitern gelang die Kristallisation der COX aus Paracoccus erst nach Bildung eines Addukts mit dem variablen Fragment eines monoklonalen Antikorpers, wahrend Yoshikawa und Mitarbeiter geeignete Kristalle der COX aus Rinderherz nur dann erhielten, wenn sie 0.2 % Decylmaltosid als Detergens beim Kristallisieren zusetzten. Die COX, das terminale Enzym der Atmungskette in Bakterien und den Mitochondrien aller Eukaryonten, ist fur das Leben auf der Erde von fundamentaler Bedeutung, da sie als einziges Enzym Sauerstoff ohne Bildung von reaktiven Intermediaten reduzieren und die dabei freiwerdende Energie konservieren kann. Sie wird seit ihrer Beschreibung 1924 durch Warburg als ,,Atmungsferment" und 1925 durch Keilin als Cytochrom aa, intensiv erforscht, doch wurden erst vor wenigen Jahren alle an der Katalyse der Reduktion von 0, zu Wasser beteiligten Metallatome identifiziert. Die beiden membrangebundenen Oxidasen aus Paracoccus und Rinderherz sind in ihren katalytischen Eigenschaften nahezu identisch. Beide iibertragen Elektronen von Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff unter gleichzeitiger Bildung eines Protonengradienten iiber die Membrm, doch unterscheiden sie sich grundsatzlich in der Zahl der Proteinuntereinheiten. COX aus Paracoccus enthalt vier, das Enzym aus Rinderherz und anderen Saugetieren dagegen 13 unterschiedliche Untereinheitenr5], von denen die drei groBten, die denen des Bakterienenzyms homolog sind, von mitochondrialer DNA und die ubrigen von Kern-DNA codiert werden. Die beiden Kristallstrukturen werden unterschiedlich dargestellt : Michel und Mitarbeiter beschreiben die katalytischen Zentren sowie die Strukturen der vier Untereinheiten des Bakterienenzyms sehr detailliert. Yoshikawa und Mitarbeiter gehen ausschlieOlich auf die Metallzentren ein; die wesentlich kompliziertere Beschreibung der 13 Polypeptidketten bleibt einer spateren Publikation vorbehalten. Die Strukturen beider Enzyme bestatigen viele der bisher biochemisch nachgewiesenen Strukturmerkmale. So konnten alle vier bzw. 13 Untereinheiten der Enzymkomplexe in aquimolaren Mengen nachgewiesen werden. Die beiden Kristallstrukturen sind in Einklang mit dem aus zahllosen Versuchen postulierten Weg der Elektronen von Cytochrom c iiber Cu, in der Untereinheit 11, HBm a, Ham-a,-Cu, (Untereinheit I) auf 0,. Beziiglich der Gesamtstruktur wurde das aus elektronenmikroskopischen Beugungsmustern von membrangebundener COX abgeleitete ,,schiefe Y''['] nicht verifiziert. Interessanterweise kristallisierte das Rinderherzenzym als Dimer, wie bereits elektronenmikroskopisch an ,,zweidimensionalen Kristallen" (membrane sheets) festgestellt wur-deL6]. Die Bakterien-COX, die wegen der fehlenden ,,kerncodierten" Untereinheiten lipophiler ist, kristallisierte dagegen als Monomer nur nach Komplexierung rnit dem variablen Frdgment eines monoklonalen Antikorpers. Diese Cokristallisation konnte allgemein fur die Kristallisation von hydrophoben Proteinen von Nutzen sein. Bis vor wenigen Jahren wurde angenommen, daB sich auBer den beiden Ham-a-Gruppen im katalytischen Zentrum der COX nur zwei Kupfer-Ionen (Cu, und Cu,) befinden. Der Nachweis, daB Cu, aus zwei Kupferatomen besteht, fuhrte zu der Spekulation, daB damit eine Cu-Cu-Bindung erstmals in einem Biomolekul festgestellt worden sei[']. Durch die Kristallstrukturen beider Enzyme wird diese Vermutung widerlegt : Die beiden Kupfer-Ionen werden durch zwei Cystein-S-Atome in einer Ebene liegend komplexiert. Diese Struktur entspricht dem [2Fe-2S]-Zentrum von Eisen-Schwefel-Proteinen, bei denen allerdings anorganischer Schwefel vorliegt. Als weitere Liganden der tetraedrisch umgebenen Kupfer-Ionen, deren Ladungszustand rnit je 1.5 angegeben werden kann, wurden Histidin und Methionin bzw. Histidin und die Peptidcarbonyl-Gruppe einer Glutaminsaure, alle in der Untereinheit 11, nachgewiesen. Bis auf die Peptidcarbonylgruppe waren alle Liganden bereits durch ortsspezifische Mutagenese an der Bakterien-COX identifiziert wordenr8]. Die abgeschatzten Abstande zwischen den Kupferatomen werden in guter Ubereinstimmung rnit 2.6 (Paracoccus) und 2.7 A (Rinderherz) angegeben. Angew. Chem. 1995, 107, N r . 23/24 0 VCH Veriugsgeseli.~chufi mbH, 0-69451 Weinheim. 1995 0044-8249i9Sjt0723-2R55 $10.00 i .2Sj0 2855
European Journal of Biochemistry, Feb 28, 1993
Isolated cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrzjkans, containing either two or three subuni... more Isolated cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrzjkans, containing either two or three subunits, was reconstituted into liposomes and the membrane potential was measured at different rates of respiration using a triphenylmethylphosponium bromide electrode. Both enzymes revealed a non-linear increase of the membrane potential with increasing respiratory rates. The ratios of the respiratory rates of the two proton pumps decreased with increasing membrane potential, suggesting slippage of proton pumping, as has been shown before with two cytochrome c oxidases from bovine heart, differing in H+/e-stoichiometries due to chemical modification [Steverding, D. & Kadenbach, B. (1991) J. Biol. Chem. 266, 8097-81011. The data suggest that slippage of proton pumping represents an intrinsic property of cytochrome c oxidase associated with the two catalytic subunits, I and 11.
European Journal of Biochemistry, Jun 1, 1982
1. The cytochrome content of beef liver mitochondria differs from that of beef heart mitochondria... more 1. The cytochrome content of beef liver mitochondria differs from that of beef heart mitochondria by an eightfold lower cytochrome aa3 and a twofold lower cytochrome b and c + c1 content.
Eur J Biochem, 2005
The ethylmaleimide-sensitive phosphate-transport system of heart mitochondria was isolated and th... more The ethylmaleimide-sensitive phosphate-transport system of heart mitochondria was isolated and the activity reconstituted in liposomes. The identification of the phosphate-carrier protein was complicated by several factors.
J Bioenerg Biomembrane, 1987
In the yeast Candida parapsilos&, the proteins encoded by mitochondrial DNA are different in numb... more In the yeast Candida parapsilos&, the proteins encoded by mitochondrial DNA are different in number and size from those of Saccharomyces cerevisiae. Nevertheless, the purified cytochrome c oxidase from Candida parapsilosis shows kinetic properties similar to those of Saceharomyees eerevisiae.
Nucleic Acids Research, Apr 11, 1991
We have sequenced the tRNA genes of mtDNA from patients with chronic progressive external ophthal... more We have sequenced the tRNA genes of mtDNA from patients with chronic progressive external ophthalmoplegia (CPEO) without detectable mtDNA deletions. Four point mutations were identified, located within highly conserved regions of mitochondrial tRNA genes, namely tRNALeU(UAG), tRNASer(GCU), tRNAGIY and tRNALYS. One of these mutations (tRNALeU(UAG)) was found in four patients with different forms of mitochondrial myopathy. An accumulation of three different tRNA point mutations (tRNALeU(UAG), tRNAser(GCU) and tRNAGIY) was observed in a single patient, suggesting that mitochondrial tRNA genes represent hotspots for point mutations causing neuromuscular diseases.
J Bioenerg Biomembrane, 1985
Isolated beef heart cytochrome c oxidase was reconstituted in liposomes by the cholate dialysis m... more Isolated beef heart cytochrome c oxidase was reconstituted in liposomes by the cholate dialysis method with 85% of the binding site for cytochrome c oriented to the outside. Trypsin cleaved specifically subunit VIa and half of subunit IV from the reconstituted enzyme. The kinetic properties of the reconstituted enzyme were changed by trypsin treatment if measured by the spectrophotometric assay but not by the polarographic assay. It is concluded that subunit VIa and/or subunit IV participate in the electron transport activity of cytochrome c oxidase.
The Journal of Biological Chemistry, May 5, 1991
Bovine heart cytochrome-c oxidase was reconstituted in liposomes and modified with N-ethoxycarbon... more Bovine heart cytochrome-c oxidase was reconstituted in liposomes and modified with N-ethoxycarbonyl-2-ethoxy-1,2-dihydroquinoline (EEDQ). EEDQ reacted mainly with subunits I1 and I11 and to a lower extent with subunit I, as shown by difference labeling with ['4C]dicyclohexylcarbodiimide. EEDQ treatment of cytochrome-c oxidase vesicles influenced ferrocytochrome c-induced proton pumping by reducing maximally the H+/e-stoichiometry from 0.84 (control) to 0.24, but had only small effects on respiration, respiratory control ratio, and proton conductivity of the proteoliposomes. By titrating the reaction rate of the control and the modified cytochrome-c oxidase vesicles versus the membrane potential, as measured with a Ph3MeP+ electrode, saturation curves are obtained, which in both cases approach 225 mV. The ratios of electron transport rates of the two proton pumps at various membrane potentials decrease between 160 and 225 mV from about 2.2 to 1, indicating that the nonlinear flow/force relationship of these proton pumps is at least partly due to "slippage" of proton pumping.
Angewandte Chemie, 1995
Paracoccus denitrificans und Rinderherzzum molekularen Mechanismus der Zellatmung Bernhard Kadenb... more Paracoccus denitrificans und Rinderherzzum molekularen Mechanismus der Zellatmung Bernhard Kadenbach" Schon vor 34 Jahren, zwei Jahre nach der ersten hochauflosenden Kristallstrukturanalyse eines Proteins (Myoglobin) durch Kendrew, wurden von Yonetani Kristalle der Cytochrom-c-Oxidase (COX) aus Rinderherz erhalten"], doch alle bisherigen Versuche, die raumliche Struktur dieses Enzyms auf atomarer Ebene zu bestimmen, scheiterten an der schlechten Qualitat der Kristalle[*l. Jetzt wurden nahezu gleichzeitig die Kristallstrukturen der oxidierten COX aus Paracoccus denitrzficans von Michel und Mitarbeiter~~'~] und der aus Rinderherz von Yoshikawa und MitarbeiternL4I mit hoher Auflosung (2.8 A) bestimmt, wobei grundsatzlich unterschiedliche Ansatze zum Erfolg fiihrten. Michel und Mitarbeitern gelang die Kristallisation der COX aus Paracoccus erst nach Bildung eines Addukts mit dem variablen Fragment eines monoklonalen Antikorpers, wahrend Yoshikawa und Mitarbeiter geeignete Kristalle der COX aus Rinderherz nur dann erhielten, wenn sie 0.2 % Decylmaltosid als Detergens beim Kristallisieren zusetzten. Die COX, das terminale Enzym der Atmungskette in Bakterien und den Mitochondrien aller Eukaryonten, ist fur das Leben auf der Erde von fundamentaler Bedeutung, da sie als einziges Enzym Sauerstoff ohne Bildung von reaktiven Intermediaten reduzieren und die dabei freiwerdende Energie konservieren kann. Sie wird seit ihrer Beschreibung 1924 durch Warburg als ,,Atmungsferment" und 1925 durch Keilin als Cytochrom aa, intensiv erforscht, doch wurden erst vor wenigen Jahren alle an der Katalyse der Reduktion von 0, zu Wasser beteiligten Metallatome identifiziert. Die beiden membrangebundenen Oxidasen aus Paracoccus und Rinderherz sind in ihren katalytischen Eigenschaften nahezu identisch. Beide iibertragen Elektronen von Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff unter gleichzeitiger Bildung eines Protonengradienten iiber die Membrm, doch unterscheiden sie sich grundsatzlich in der Zahl der Proteinuntereinheiten. COX aus Paracoccus enthalt vier, das Enzym aus Rinderherz und anderen Saugetieren dagegen 13 unterschiedliche Untereinheitenr5], von denen die drei groBten, die denen des Bakterienenzyms homolog sind, von mitochondrialer DNA und die ubrigen von Kern-DNA codiert werden. Die beiden Kristallstrukturen werden unterschiedlich dargestellt : Michel und Mitarbeiter beschreiben die katalytischen Zentren sowie die Strukturen der vier Untereinheiten des Bakterienenzyms sehr detailliert. Yoshikawa und Mitarbeiter gehen ausschlieOlich auf die Metallzentren ein; die wesentlich kompliziertere Beschreibung der 13 Polypeptidketten bleibt einer spateren Publikation vorbehalten. Die Strukturen beider Enzyme bestatigen viele der bisher biochemisch nachgewiesenen Strukturmerkmale. So konnten alle vier bzw. 13 Untereinheiten der Enzymkomplexe in aquimolaren Mengen nachgewiesen werden. Die beiden Kristallstrukturen sind in Einklang mit dem aus zahllosen Versuchen postulierten Weg der Elektronen von Cytochrom c iiber Cu, in der Untereinheit 11, HBm a, Ham-a,-Cu, (Untereinheit I) auf 0,. Beziiglich der Gesamtstruktur wurde das aus elektronenmikroskopischen Beugungsmustern von membrangebundener COX abgeleitete ,,schiefe Y''['] nicht verifiziert. Interessanterweise kristallisierte das Rinderherzenzym als Dimer, wie bereits elektronenmikroskopisch an ,,zweidimensionalen Kristallen" (membrane sheets) festgestellt wur-deL6]. Die Bakterien-COX, die wegen der fehlenden ,,kerncodierten" Untereinheiten lipophiler ist, kristallisierte dagegen als Monomer nur nach Komplexierung rnit dem variablen Frdgment eines monoklonalen Antikorpers. Diese Cokristallisation konnte allgemein fur die Kristallisation von hydrophoben Proteinen von Nutzen sein. Bis vor wenigen Jahren wurde angenommen, daB sich auBer den beiden Ham-a-Gruppen im katalytischen Zentrum der COX nur zwei Kupfer-Ionen (Cu, und Cu,) befinden. Der Nachweis, daB Cu, aus zwei Kupferatomen besteht, fuhrte zu der Spekulation, daB damit eine Cu-Cu-Bindung erstmals in einem Biomolekul festgestellt worden sei[']. Durch die Kristallstrukturen beider Enzyme wird diese Vermutung widerlegt : Die beiden Kupfer-Ionen werden durch zwei Cystein-S-Atome in einer Ebene liegend komplexiert. Diese Struktur entspricht dem [2Fe-2S]-Zentrum von Eisen-Schwefel-Proteinen, bei denen allerdings anorganischer Schwefel vorliegt. Als weitere Liganden der tetraedrisch umgebenen Kupfer-Ionen, deren Ladungszustand rnit je 1.5 angegeben werden kann, wurden Histidin und Methionin bzw. Histidin und die Peptidcarbonyl-Gruppe einer Glutaminsaure, alle in der Untereinheit 11, nachgewiesen. Bis auf die Peptidcarbonylgruppe waren alle Liganden bereits durch ortsspezifische Mutagenese an der Bakterien-COX identifiziert wordenr8]. Die abgeschatzten Abstande zwischen den Kupferatomen werden in guter Ubereinstimmung rnit 2.6 (Paracoccus) und 2.7 A (Rinderherz) angegeben. Angew. Chem. 1995, 107, N r . 23/24 0 VCH Veriugsgeseli.~chufi mbH, 0-69451 Weinheim. 1995 0044-8249i9Sjt0723-2R55 $10.00 i .2Sj0 2855
Febs Lett, 1994
Diiodothyronines (3,3'-T2 and 3,5-T2) stimulate the activity of isolated cytochrome c oxidase (CO... more Diiodothyronines (3,3'-T2 and 3,5-T2) stimulate the activity of isolated cytochrome c oxidase (COX) from bovine heart mitochondria. Maximal stimulation of activity (about 50%) is obtained with 3,3'-T2 at pH 6.4 and with 3,5-T2 at pH 7.4. In contrast, 3,5,3'-triiodothyronine (TO exhibited no or little stimulation of COX activity. Binding of the hormones to COX leads to conformational changes as shown by modified visible spectra of the oxidized enzyme. It is suggested that 'short-term' effects of thyroid hormones on mitochondrial respiration are at least partly due to the allosteric interaction of diiodothyronines with the COX complex.
Current Topics in Bioenergetics, 1987
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Papers by Bernhard Kadenbach