Молекулярный механизм генерации мембранного потенциала цитохром с оксидазой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.04, доктор биологических наук Силецкий, Сергей Алексеевич

• Силецкий, Сергей Алексеевич
• доктор биологических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор биологических наук Силецкий, Сергей Алексеевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общая характеристика цитохромоксидазы

1.2. Кристаллическая структура цитохромоксидазы. 1О

1.3. Редокс-центры и субъединицы каталитического ядра цитохромоксидазы

1.4. Пути проведения протонов, переноса молекулярного кислорода и воды

1.5. Физико-химические свойства цитохромоксидазы

1.6. Подходы к изучению переноса зарядов в цитохромоксидазе с временным разрешением

1.7. Промежуточные состояния в каталитическом цикле цитохромоксидазы

1.8. Представления о сопряженном протонном транспорте в цитохромоксидазе, базирующееся на стационарных измерениях

1.9. Структурно-функциональные особенности цитохромоксидазы Ъаз из ТлЬегторкИт

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Митохондриальная цитохромоксидаза.

2.2. Штамм КкойоЬа^ег яр}1аего1с1е8.

2.3. Выращивание клеток и получение мембран из клеток Я. яркаегогсЗея.

2.4. Изоляция цитохромоксидазы ааз из Кхркаег oid.es.

2.5. Определение активности цитохромоксидазы ааз из К.5ркаего1йе8.

2.6. Цитохромоксидаза Ъаъ из ТЪегтш 1кегторЫ1ш\

2.7. Встраивание цитохромоксидазы в протеолипосомы.

2.8. Электрометрические измерения с использованием трис(бипиридил)рутения.

2.9. Электрометрические измерения с ипользованием метода "флоу-флэш".

2.10. Спектрофотометрические кинетические измерения на одиночной длине волны.

2.11. Разрешенная во времени регистрация спектров ЦО в оптическом диапазоне в сочетании с методом "флоу-флэш".

2.12. Обработка данных.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Генерация мембранного потенциала, сопряженная с одноэлектронными переходами в каталитическом цикле цитохромоксидазы

3.1.1. Электрогенные события, сопряженные с переносом на кислород 4-го электрона в каталитическом цикле цитохромоксидазы (Р—>0 переход).

3.1.2. Электрогенные события, сопряженные с переносом на кислород 1-го и 3-го электронов в каталитическом цикле цитохромоксидазы (фотовосстановление состояний О и Р).

3.2. Кинетика переноса электрона через гемовые центры в одноэлектронных переходах каталитического цикла цитохромоксидазы.

3.3. Внутрибелковые пути переноса протонов в ходе одноэлектронных переходов каталитического цикла цитохромоксидазы.

3.3.1. Электрогенная активность цитохромоксидазы Шз из ШюйоЪаМег яр}гаего1с1е$ дикого типа.

3.3.2. Роль входных протонных Б и К каналов в каталитическом цикле цитохромоксидазы.

3.4. Артикуляция внутрибелкового перемещения протонов в одноэлектронном переходе Р—>0 цитохромоксидазы.

3.4.1. Стехиометрия сопряженного электрогенного переноса протонов в одноэлектронном переходе Р—>0.

3.4.2. Последовательность проведения помпируемого и субстратного протонов в переходе Р—»0 цитохромоксидазы.

3.4.3. Высвобождение протона на внешнюю сторону мембраны. Ионы цинка - как ингибитор электрогенного переноса протонов в цитохромоксидазе.

3.5. Особенности одноэлектронных переходов в каталитическом цикле цитохромоксидазы Ъаз из ТлЬ.егторЫ1т

3.5.1. Электрогенные события, сопряженные с переносом на кислород 1-го электрона в каталитическом цикле цитохромоксидазы Ъаз (фотовосстановление состояний О).

3.5.2. Интермедиаты каталитического цикла, разрешаемые при окислении кислородом восстановленной цитохромоксидазы Ъат, из ТЛкегторкИт в режиме одного оборота.

3.5.3. Стадии генерации мембранного потенциала, сопряженные с окислением восстановленной Ъаз оксидазы из ТлкегторЫ\liis кислородом в режиме одного оборота

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Молекулярный механизм генерации мембранного потенциала цитохром с оксидазой»

Благодаря фотосинтезу, растения и фотосинтезирующие бактерии улавливают солнечную энергию. В результате их жизнедеятельности ежегодно в атмосферу Земли выделяются миллиарды тонн молекулярного кислорода и образуются сложные органические соединения. Аэробные организмы получают необходимую для жизнедеятельности энергию из внешней среды в процессе дыхания, то есть в ходе окисления органических соединений кислородом воздуха. Важнейшую роль в дыхательных и фотосинтетических процессах преобразования энергии играют электронтранспортные цепи митохондрий, бактерий и хлоропластов. Ключевым звеном цепей переноса электронов являются энерго-преобразующие мембранные ферменты.

В митохондриях и аэробных бактериях трансформация энергии происходит в дыхательной цепи - совокупности сложно организованных ферментных комплексов, локализованных во внутренней мембране митохондрий эукариотических клеток или в цитоплазматической мембране прокариот. В процессе клеточного дыхания энергия окислительно-восстановительных реакций трансформируется электронтранспортной дыхательной цепью в разность электрохимических потенциалов ионов водорода на сопрягающей мембране (АцН+). Возникающая таким образом протон-движущая сила служит в клетке источником энергии в реакциях биохимического синтеза, мембранного транспорта, механического движения бактериальных клеток и тд.

В концевом участке дыхательных цепей аэробных организмов образование протон-движущей силы обеспечивается в результате работы терминальных оксидаз, катализирующих восстановление кислорода цитохромом с или хинолом. Основная подгруппа этих ферментов, включающая цитохромоксидазу (ЦО) из митохондрий, образует суперсемейство структурно-родственных гем-медных оксидаз. Отличительной особенностью представителей суперсемейства является каталитический центр, который образован близко расположенными ионом железа гемовой группы и ионом меди (т.н. биядерный или бинуклеарный центр, ВЫС). В биядерном центре, непосредственно, происходит восстановление молекулы кислорода с образованием двух молекул воды.

В ходе каталитического цикла, цитохромоксидаза образует ДцН+ в результате двух процессов. Во-первых, электроны поступают в ВИС от цитохрома с с периплазматической стороны мембраны (Р-сторона), в то время как участвующие в восстановлении кислорода и образовании молекул воды протоны (т.н. "субстратные" или "химические" протоны) переносятся электрогенно в ВИС из матриксной водной фазы (И-сторон а). Во-вторых, цитохромоксидаза является редокс-зависимым протонным насосом и дополнительно переносит с Ы-стороны на Р-сторону мембраны в среднем четыре протона (т.н. "помпируемые" протоны) на каждую восстановленную молекулу кислорода.

Таким образом, цитохромоксидаза представляет собой сложную и уникальную в своем роде молекулярную машину, осуществляющую сопряжение одноэлектронного окисления цитохрома с, 4-х электронного восстановления и протонирования молекулы кислорода с образованием воды и редокс-зависимого направленного трансмембранного переноса протонов. Сочетание этих процессов требует сложной организации и точной взаимной артикуляции перемещения зарядов (электронов и протонов) и превращения молекулы кислорода в ходе каталитического цикла. Выяснение молекулярного механизма редокс-сопряженного разделения зарядов в цитохромоксидазе, описание динамики и траекторий внутрибелкового переноса протонов относятся к ряду наиболее важных и сложных задач биэнергетики, решение которых является необходимой предпосылкой для установления общих закономерностей механизмов образования трансмембранного потенциала ферментами энерго-сопрягающих мембран.

В каталитическом цикле цитохромоксидазы можно выделить две части: восстановительную и окислительную. Восстановительная часть включает в себя перенос от цитохрома с в окисленный биядерный центр 1-го и 2-го электронов. В результате оба редокс-центра ВИС (гемовое железо и атом меди) переходят в восстановленное состояние. В окислительной фазе молекула кислорода связывается с восстановленным атомом железа гема, входящего в состав В1ЧС. Далее происходит разрыв 0-0 связи, одновременно с которым 4 электрона переносятся из молекулы белка на атомы кислорода с образованием состояния Р фермента, в котором атом железа гема образует оксоферрильный комплекс. Каталитический цикл завершается переносом в ВЫС от цитохрома с последовательно 3-го и 4-го электронов, в результате которых происходит, соответственно, переход цитохромоксидазы из состояния Р в состояние Р и восстановление Р с образованием исходного, полностью окисленного состояния (О).

Каждая из отдельных одноэлектронных стадий каталитического цикла цитохромоксидазы включает в себя набор частных реакций переноса электронов и протонов, без детального исследования которых невозможно установить молекулярный механизм сопряженного трансмембранного переноса зарядов. Все эти реакции происходят во временном диапазоне, недоступном для методов быстрого смешивания. Первоначальные сведения о механизме сопряженного переноса протонов в цитохромоксидазе базировались на результатах различного рода стационарных измерений. В связи с этим, в наши задачи входило изучение механизма электрогенного переноса протонов в цитохромоксидазе с помощью предстационарных подходов.

Цель заключалась в том, чтобы максимально полно описать механику векторного переноса зарядов в цитохромоксидазе, разрешив во времени частные стадии электрогенного переноса электронов и протонов, составляющие суть отдельных одноэлектронных переходов в каталитическом цикле фермента. В задачи исследования входило выяснить точную стехиометрию переноса помпируемых протонов в отдельных одноэлектронных переходах каталитического цикла цитохромоксидазы. Установить сопряженные электрон-транспортные стадии и конформационные изменения, контролирующие частные стадии транслокации протонов. Выяснить точную структуру каталитических интермедиатов ЦО, включая промежуточную локализацию протонов в кислород-редуктазном центре и в его окрестности.

Возможности изучения промежуточных стадий в каталитическом цикле цитохромоксидазы в предстационарном режиме с адекватным временным разрешением появились сравнительно недавно, благодаря развитию импульсной лазерной техники и фотохимии. Фотоинициированная синхронизация электронтранспортных реакций в ЦО позволяет производить одновременный запуск реакции переноса электрона внутри всей популяции фермента, используя наносекундный импульс лазерного света, и исследовать фотоиндуцированные частные стадии транслокации зарядов и превращений каталитического центра с микросекундным временным разрешением.

Первый метод, использующийся в предстационарных измерениях ЦО, был разработан в 60-х годах Гиббсоном и Гринвудом и представляет собой фотолиз окиси углерода от восстановленного биядерного центра ЦО в присутствии молекулярного кислорода. Этот метод позволяет исследовать окисление изначально восстановленного фермента в режиме одного оборота каталитического цикла. Другой вариант представляет собой восстановительные одноэлектронные пульсы в цитохромоксидазу с помощью фотоактивных комплексов рутения. Этот подход был разработан первоначально Греем и соавторами в 80-х годах и адаптирован применительно к ЦО в начале 90-х Нильсоном.

Наиболее продуктивными подходами к мониторингу и изучению быстрых стадий переноса протонов и электронов в цитохромоксидазе оказались метод "прямой" электрометрической регистрации трансмембранной разности электрических потенциалов (емкостная потенциометрия) и разрешенная во времени спектрофотометрия. "Прямой" электрометрический метод был разработан изначально в лаборатории Л.А.Драчева в НИИ им. А.Н. Белозерского МГУ для исследования бактериородопсина и фотосинтетических реакционных центров и позволяет отслеживать в реальном времени электрогенную составляющую переноса зарядов в мембранных белках.

В последние годы для цитохромоксидазы из митохондрий и ряда бактерий была получена трехмерная кристаллическая структура с атомным разрешением. Это позволило локализовать гипотетические внутрибелковые структуры, содержащие консервативные аминокислотные остатки и потенциально способные к проведению протонов из внутренней водной фазы в гидрофобную область цитохромоксидазы к каталитическому двухядерному центру. В сочетании с возможностями направленного мутагенеза и кинетических методов с необходимым временным разрешением, это предоставляет уникальную возможность выяснения деталей механизма сопряжения энергии и внутрибелкового переноса протонов в данном ферментном комплексе. В связи с этим, в наши задачи входило сравнительное изучение механизма электрогенного переноса протонов в гомологичных бактериальных цитохромоксидазах с использованием возможностей направленных генетических манипуляций по замене и тестированию функциональной роли консервативных аминокислотных остатков в проведении протонов.

Цель заключалась в том, чтобы локализовать траектории проведения протонов в цитохромоксидазе и выявить взаимную артикуляции частных электрон и протон-транспортных реакций внутри отдельного одноэлектронного перехода фермента. Выяснить роль протон-проводящих путей в отдельных одноэлектронных переходах в каталитическом цикле ЦО. Выяснить структурно-функциональные особенности неканонических цитохромоксидаз, обусловливающие сниженную эффективность трансмембранной перекачки протонов.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Биохимия», Силецкий, Сергей Алексеевич

выводы

1. Использование фотоактивируемых комплексов рутения в качестве донора электрона позволяет в предстационарном режиме исследовать отдельные стадии сопряженной транслокации электрона и протонов в каталитическом цикле цитохромоксидазы с микросекундным временным разрешением, недоступном при использовании методов быстрого смешивания.

2. Общая организация стадий внутрибелкового электрогенного переноса зарядов в терминальных гем-медных оксидазах семейства А (митохондриальной цитохромоксидазе и цитохромоксидазе ааз из К sphaeroid.es) сходна. Восстановление цитохромом с входного редокс-центра, Сид, является неэлектрогенной реакцией. Перенос электрона от Сид к гему а (т~ 10-40 мкс) сопровождается генерацией мембранного потенциала, соответствующей транслокации отрицательного заряда с внешней стороны мембраны на -1/3 толщины мембранного диэлектрика.

3. Перенос от гема а в биядерный кислород-редуктазный центр 3-го и 4-го электронов в каталитическом цикле цитохромоксидаз семейства А (переходы Р—»Б и Р—>0, соответственно) сопряжен с трансмембранной транслокацией одного помпируемого протона и переносом из внутренней водной фазы к биядерному центру одного субстратного протона

4. Сопряженный электрогенный перенос протонов в переходах Р—>Р и Р—Ю каталитического цикла цитохромоксидазы митохондрий включает две кинетически разрешаемые стадии. В первой стадии с т~0.3 мс (Р—>Р) и г~\2 мс (Б—Ю), соответственно, происходит перемещение помпируемого протона из внутренней водной фазы к промежуточному акцептору протона, располагающемуся над биядерным центром. Вторая стадия (т~1.3 мс и т~4.5 мс, соответственно) включает высвобождение помпируемого протона на внешнюю сторону мембраны, сопряженное с электрогенным перемещением субстратного протона с внутренней стороны мембраны к биядерному центру.

5. В каталитическом цикле цитохромоксидазы ааз из R.sphaeroides, протон-проводящий Б-канал служит для переноса всех помпируемых протонов, а также субстратных протонов на стадиях Р—»Е и Р—>0 переходов (перенос на кислород 3-го и 4-го электронов, соответственно). Протон-проводящий К-канал необходим для переноса субстратных протонов из внутренней водной фазы в ходе восстановления биядерного центра первыми двумя электронами в каталитическом цикле.

6. Снижение вдвое эффективности протон-транслоцирующей функции цитохромоксидазы баз из ТлкегторЫ'1ш семейства В гем-медных оксидаз обусловлено отсутствием сопряженного трансмембранного переноса протона в части одноэлектронных стадий каталитического цикла, тогда как другие одноэлектронные стадии сопряжены с трансмембранным переносом ~1 протона.

7. Цитохромоксидаза баз из ТлкегторкИш семейства В гем-медных оксидаз отличается от оксидаз семейства А локализацией внутреннего акцептора протона в каталитическом интермедиате, соответствующем во времени образованию состояния Б в реакции с кислородом в режиме одного молекулярного оборота. В цитохромоксидазах семейства А, перенос субстратного протона на данной каталитической стадии происходит в биядерный центр (к связанному с Сив гидроксил-аниону), тогда как в цитохромоксидазе баз акцептор протона локализован вне биядерного центра.

8. При восстановлении низкоспинового гема б каталитический биядерный центр окисленной цитохромоксидазы баз из ТлИегторкИш переходит в открытое состояние и приобретает способность связывать внешние лиганды.

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук Силецкий, Сергей Алексеевич, 2012 год

1. Anraku, Y. (1988) Bacterial electron transport chains, Ann. Rev. Biochem. 57, 101-132.

2. Garcia-Horsman, J. A., Barquera, B., Rumbley, J., Ma, J., and Gennis, R. B. (1994) The superfamily of heme-copper respiratory oxidases, J. Bacteriol. 176, 5587-5600.

3. Babcock, G. T., and Wikstriim, M. (1992) Oxygen Activation and the conservation of energy in cell respiration, Nature 356, 301-309.

4. Ferguson-Miller, S., and Babcock, G. T. (1996) Heme/copper terminal oxidases, Chem. Rev. 7, 2889-2907.

5. Hemp, J., and Gennis, R. B. (2008) Diversity of the heme-copper superfamily in archaea: insights from genomics and structural modeling, Results Probl. Cell Differ. 45, 1-31.

6. Belevich, I., and Verkhovsky, M. I. (2008) Molecular mechanism of proton translocation by cytochrome c oxidase, Antioxidants and Redox Signaling 10,1-29.

7. Pereira, M. M., Santana, M., and Teixeira, M. (2001) A novel scenario for the evolution of haem-copper oxygen reductases., Biochim. Biophys. Acta 1505, 185-208.

8. Yoshikawa, S. (2005) Structural chemical studies on the reaction mechanism of cytochrome c oxidase, In Biophysical and structural aspects of bioenergetics (M., W., Ed.), pp 55-71, RSC Publishing, Norfolk.

9. Kaila, V. R., Verkhovsky, M. I., Hummer, G., and Wikstrom, M. (2008) Glutamic acid 242 is a valve in the proton pump of cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 6255-6259.

10. Namslauer, A., Lepp, H., Branden, M., Jasaitis, A., Verkhovsky, M. I., and Brzezinski, P. (2007) Plasticity of proton pathway structure and water coordination in cytochrome c oxidase, J. Biol. Chem. 282, 15148-15158.

11. Siletsky, S. A., Pawate, A. S., Weiss, K., Gennis, R. B., and Konstantinov, A. A. (2004) Transmembrane charge separation during the ferryl-oxo-> oxidized transition in a non-pumping mutant of cytochrome c oxidase., J. Biol. Chem. 279, 52558-52565.

12. Belevich, I., Bloch, D. A., Wikstrom, M., and Verkhovsky, M. I. (2007) Exploring the proton pump mechanism of cytochrome c oxidase in real time, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 2685-2690.

13. Ruitenberg, M., Kannt, A., Bamberg, E., Fendler, K., and Michel, H. (2002) Reduction of cytochrome c oxidase by a second electron leads to proton translocation., Nature 417, 99102.

14. Brzezinski, P., and Gennis, R. B. (2008) Cytochrome c oxidase: exciting progress and remaining mysteries, J. Bioenerg. Biomembr. 40, 521-531.

15. Brzezinski, P., and Johansson, A. L. (2010) Variable proton-pumping stoichiometry in structural variants of cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1797, 710-723.

16. Hosier, J. P., Ferguson-Miller, S., and Mills, D. A. (2006) Energy transduction: proton transfer through the respiratory complexes, Annu. Rev. Biochem. 75, 165-187.

17. Yoshikawa, S., Muramoto, K., and Shinzawa-Itoh, K. (2011) Proton-pumping mechanism of cytochrome c oxidase, Annu. Rev. Biophys. 40, 205-223.

18. Rich, P. R., and Marechal, A. (2010) The mitochondrial respiratory chain, Essays Biochem 47, \-23.

19. Wikstrom, M., and Verkhovsky, M. I. (2007) Mechanism and energetics of proton translocation by the respiratory heme-copper oxidases, Biochim. Biophys .Acta 1767, 1200-1214.

20. Fee, J. A., Sanders, D., Slutter, C. E., Doan, P. E., Aasa, R., Karpefors, M., and Vflnngerd, T. (1995) Multi-frequency EPR Evidence for a Binuclear Cua Center in Cytochrome c Oxidase: Studies with a 63Cu- and 65Cu-enriched, Soluble Domain of the

21. Cytochrome ba^, Subunit II from Thermus Thermophilics, Biochem. Biophys. Res. Commun. 212, 77-83.

22. Soulimane, T., von Walter, M., Hof, P., Than, M. E., Huber, R., and Buse, G. (1997) Cytochrome c-552 from Thermus thermophilus: a functional and crystallographic investigation, Biochem. Biophys. Res. Commun. 237, 572-576.

23. Soulimane, T., Buse, G., Bourenkov, G. B., Bartunik, H. D., Huber, R., and Than, M. E. (2000) Structure and mechanism of the aberrant ¿¿^-cytochrome c oxidase from Thermus thermophilus, EMBO J. 19, 1766-1776.

24. Pitcher, R. S., and Watmough, N. J. (2004) The bacterial cytochrome cbbi oxidases, Biochim. Biophys. Acta 1655, 388-399.

25. Rauhamaki, V., Bloch, D. A., Verkhovsky, M. I., and Wikstrom, M. (2009) Active site of cytochrome cbbj, J. Biol. Chem. 284, 11301-11308.

26. Buschmann, S., Warkentin, E., Xie, H., Langer, J. D., Ermler, U., and Michel, H. (2010) The structure of cbbi, cytochrome oxidase provides insights into proton pumping, Science 329, 327-330.

27. Mitchell, P. (1968) Chemiosmotic coupling and energy transduction, Glynn Research Ltd., Bodmin.

28. Wikstrom, M. (1977) Proton pump coupled to cytochrome c oxidase in mitochondria, Nature 266, 271-273.

29. Wikstrom, M. (2004) Cytochrome c oxidase: 25 years of the elusive proton pump, Biochim. Biophys .Acta 1655, 241-247.

30. Tsukihara, T., Aoyama, H., Yamashita, E., Takashi, T., Yamaguichi, H., Shinzawa-Itoh, K., Nakashima, R., Yaono, R., and Yoshikawa, S. (1996) The whole structure of the 13-subunit oxidized cytochrome c oxidase at 2.8 A, Science 272, 1136-1144.

31. Iwata, S., Ostermeier, C., Ludwig, B., and Michel, H. (1995) Structure at 2.8 A resolution of cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans, Nature 376, 660-669.

32. Ostermeier, C., Iwata, S., Ludwig, B., and Michel, H. (1995) Fy fragment-mediated crystallization of the membrane protein bacterial cytochrome c oxidase, Nat. Struct. Biol. 2, 842.

33. Svensson-Ek, M., Abramson, J., Larsson, G., Tornroth, S., Brzezinski, P., and Iwata, S. (2002) The X-ray crystal structures of wild-type and EQ(I-286) mutant cytochrome c oxidases from Rhodobacter sphaeroides., J. Mol. Biol. 321, 329-339.

34. Qin, L., Liu, J., Mills, D. A., Proshlyakov, D. A., Hiser, C., and Ferguson-Miller, S. (2009) Redox dependent conformational changes in cytochrome c oxidase suggest a gating mechanism for proton uptake, Biochemistry 48, 5121-5130.

35. Capaldi, R. A. (1990) Structure and Function of Cytochrome c Oxidase, Ann. Rev. Biochem. 59, 569-596.

36. Fontanesi, F., Soto, H. C., and Barrientos, A. (2008) Cytochrome c oxidase biogenesis: New levels of regulation, IUBMB Life 60, 557-568.

37. Fontanesi, F., Soto, I. C., Horn, D., and Barrientos, A. (2006) Assembly of mitochondrial cytochrome c-oxidase, a complicated and highly regulated cellular process, Am. J. Physiol. Cell Physiol. 291, CI 129-1147.

38. Shapleigh, J. P., and Gennis, R. B. (1992) Cloning, Sequencing and Deletion from the Chromosome of the Gene Encoding Subunit I of the -type Cytochrome c Oxidase of Rhodobacter sphaeroides, Mol. Microbiol. 6, 635-642.

39. Pilet, E., Jasaitis, A., Liebl, U., and Vos, M. H. (2004) Electron transfer between hemes in mammalian cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 16196-16203.

40. Tsukihara, T., Aoyama, H., Yamashita, E., Tomizaki, T., Yamaguchi, H., Shinzawa-Itoh, K., Nakashima, T., Yaono, R., and Yoshikawa, S. (1995) Structures of metal sites of oxidized bovine heart cytochrome c oxidase at 2.8 A, Science 269, 1069-1074.

41. Saiki, K., Mogi, T., Ogura, K., and Anraku, Y. (1993) In Vitro Heme O Synthesis by the cyoE Gene Product from Escherichia coli, J. Biol. Chem. 268, 26041-26045.

42. Caughey, W. S., Smythe, G. A., O'Keeffe, D. H., Maskasky, J. E., and Smith, M. I. (1975) Heme A of cytochrome c oxicase. Structure and properties: comparisons with hemes B, C, and S and derivatives, J. Biol. Chem. 250, 7602-7622.

43. Lubben, M., and Morand, K. (1994) Novel prenylated hemes as cofactors of cytochrome oxidases. Archaea have modified hemes A and O, J. Biol. Chem. 269, 21473-21479.

44. Buse, G., Soulimane, T., Dewor, M., Meyer, H. E., and Bloggel, M. (1999) Evidence for a copper coordinated histidine-tyrosine crosslink in the active site of cytochrome oxidase., Protein Sci. 8, 985-990.

45. Babcock, G. T. (1999) How oxygen is activated and reduced in respiration, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 12971-12973.

46. Proshlyakov, D. A., Pressler, M. A., DeMaso, C., Leykam, J. F., DeWitt, D. L., and Babcock, G. L. (2000) Oxygen activation and reduction in respiration: involvement of redox-active tyrosine 244, Science 290, 1588-1591.

47. Gennis, R. B. (2004) Coupled proton and electron transfer reactions in cytochrome oxidase, Front. Biosci. 9, 581-591.

48. Wikstrom, M. (2000) Mechanism of proton translocation by cytochrome c oxidase: a new four-stroke histidine cycle, Biochim. Biophys. Acta 1458, 188-198.

49. Malmstrom, B. G., and Aasa, R. (1993) The Nature of the CuA Center in Cytochrome c Oxidase, FEBS Lett. 325, 49-52.

50. Kobayashi, K., Une, H., and Hayashi, K. (1989) Electron transfer process in cytochrome oxidase after pulse radiolysis, J. Biol. Chem. 246, 7976-7980.

51. Nilsson, Т. (1992) Photoinduced electron transfer from tris(2,2'-bipyridyl)ruthenium to cytochrome с oxidase, Proc. Nail. Acad. Sci. USA 89, 6497-6501.

52. Mills, D. A., and Hosier, J. P. (2005) Slow proton transfer through the pathways for pumped protons in cytochrome с oxidase induces suicide inactivation of the enzyme, Biochemistry 44, 4556-4666.

53. Branden, G., Gennis, R. В., and Brzezinski, P. (2006) Transmembrane proton translocation by cytochrome с oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1757, 1052-1063.

54. Gennis, R. B. (1998) Multiple proton-conducting pathways in cytochrome oxidase and a proposed role for the active-site tyrosine, Biochim. Biophys. Acta 1365, 241-248.

55. Branden, M., Tomson, F., Gennis, R. В., and Brzezinski, P. (2002) The entry point of the K-proton-transfer pathway in cytochrome с oxidase, Biochemistry 41, 10794-10798.

56. Hofacker, I. a. S., K. (1998) Proteins: structure, function, and genetics 30, 100-107.

57. Popovic, D. M., and Stuchebrukhov, A. A. (2005) Proton exit channels in bovine cytochrome с oxidase, J. Phys. Chem. В 109,1999-2006.

58. Shimokata, K., Katayama, Y., Murayama, H., Suematsu, M., Tsukihara, Т., Muramoto, K., Aoyama, H., Yoshikawa, S., and Shimada, H. (2007) The proton pumping pathway of bovine heart cytochrome с oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 4200-4205.

59. Pfitzner, U., Odenwald, А., Т., O., Weingard, L., Ludwig, В., and Richter, О. M. (1998) Cytochrome с oxidase (heme ааз) from Paracoccus denitrificans: analysis of mutations in putative proton channels of subunit I., J. Bioenerg. Biomembr. 30, 89-97.

60. Salomonsson, L., Lee, A., Gennis, R. B., and Brzezinski, P. (2004) A single-amino-acid lid renders a gas-tight compartment within a membrane-bound transporter, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 11617-11621.

61. Schmidt, B., McCracken, J., and Ferguson-Miller, S. (2003) A discrete water exit pathway in the membrane protein cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 15539-15542.

62. Sugitani, R., and Stuchebrukhov, A. A. (2009) Molecular dynamics simulation of water in cytochrome c oxidase reveals two water exit pathways and the mechanism of transport, Biochim. Biophys. Acta 1787, 1140-1150.

63. Beinert, H., Shaw, R. W., Hansen, R. E., and Hartzell, C. R. (1980) Studies on the Origin of the Near Infrared (800 nm 900 nm) Absorption of Cytochrome c Oxidase, Biochim. Biophys. Acta 591, 458-470.

64. Palmer, G. (1993) Current Issues in the Chemistry of Cytochrome c Oxidase, J. Bioenerg. Biomembr. 25, 145-151.

65. Vanneste, W. H. (1966) The Stoichiometry and Absorption Spectra of Components a and «3 in Cytochrome c Oxidase, Biochemistry 65, 838-848.

66. Riistama, S., Verkhovsky, M. I., Laakkonen, L., Wikstrom, M., and Puustinen, A. (2000) Interaction between the formyl group of heme a and arginine 54 in cytochrome aa^ from Paracoccus denitrificans, Biochim. Biophys. Acta 1456, 1-4.

67. Mitchell, R., Mitchell, P., and Rich, P. R. (1991) The Assignment of the 655 nm Spectral Band of Cytochrome Oxidase, FEBS Lett. 280, 321-324.

68. Shaw, R. W., Hansen, R. E., and Beinert, H. (1978) A Novel Electron Paramagnetic Resonance Signal of "Oxygenated" Cytochrome c Oxidase, J. Biol. Chem. 253, 66376640.

69. Leigh, J. S., Wilson, D. F., and Owen, C. S. (1974) Heme-Heme Interaction in Cytochrome c Oxidase: The Cooperativity of the Hemes of Cytochrome c Oxidase as Evidenced in the Reaction with CO, Arch. Biochem. Biophys. 160, 476-486.

70. Moody, A. J., and Rich, P. R. (1990) The Effect of pH on Redox Titrations of Haem a in Cyanide-Liganded Cytochrome c Oxidase: Experimental and Modelling Studies, Biochim. Biophys. Acta 1015, 205-215.

71. Carithers, R. P., and Palmer, G. (1981) Characterization of the Potentiometric Behavior of Soluble Cytochrome Oxidase by Magnetic Circular Dichroism, J. Biol. Chem. 256, 7967-7976.

72. Goodman, G. (1984) Metal Site Cooperativity within Cytochrome Oxidase, J. Biol. Chem. 259, 15094-15099.

73. Blair, D. F., Ellis, J., Walther R. , Wang, H., Gray, H. B., and Chan, S. I. (1986) Spectroelectrochemical Study of Cytochrome c Oxidase: pH and Temperature Dependences of the Cytochrome Potentials, J. Biol. Chem. 261, 11524-11537.

74. Wikstrom, M., Krab, K., and Saraste, M. (1981) Cytochrome oxidase a synthesis, Academic Press, New York.

75. Moody, A. J., Cooper, C. E., and Rich, P. R. (1991) Characterisation of 'Fast" and 'Slow Forms of Bovine Heart Cytochrome-c Oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1059, 189-207.

76. Van Gelder, B. F., and Beinert, H. (1969) Studies of the Heme Components of Cytochrome c Oxidase by EPR Spectroscopy, Biochim. Biophys. Acta 189, 1-24.

77. Aasa, R„ Albracht, S. P. J., Falk, K.-E., Lanne, B., and Vanngard, T. (1976) EPR Signals From Cytochrome c Oxidase, Biochim. Biophys. Acta 422, 260-272.

78. Baker, G. M., Noguchi, M., and Palmer, G. (1987) The Reaction of Cytochrome Oxidase with Cyanide, J. Biol. Chem. 262, 595-604.

79. Bloch, D., Belevich, I., Jasaitis, A., Ribacka, C., Puustinen, A., Verkhovsky, M. I., and Wikstrom, M. (2004) The catalytic cycle of cytochrome c oxidase is not the sum of its two halves, Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 529-533.

80. Jancura, D., Berka, V., Antalik, M., Bagelova, J., Gennis, R. B., Palmer, G., and Fabian, M. (2006) Spectral and kinetic equivalence of oxidized cytochrome c oxidase as isolated and "activated" by reoxidation, J. Biol. Chem. 281, 30319-30325.

81. Siletsky, S. A., Belevich, I., Wikstrom, M., Soulimane, T., and Verkhovsky, M. I. (2009) Time-resolved Oh->Eh transition of the aberrant ba3 oxidase from Thermus thermophilus, Biochim. Biophys. Acta 1787, 201-205.

82. Siletsky, S., Kaulen, A. D., and Konstantinov, A. A. (1999) Resolution of electrogenic steps coupled to conversion of cytochrome c oxidase from the peroxy to the ferryl-oxo state, Biochemistry 38, 4853-4861.

83. Verkhovsky, M. I., Tuukkanen, A., Backgren, C., Puustinen, A., and Wikstrom, M. (2001) Charge translocation coupled to electron injection into oxidized cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans, Biochemistry 40, 7077-7083.

84. Gibson, Q. H., and Greenwood, C. (1963) Reactions of cytochrome oxidase with oxygen and carbon monoxide, Biochem. J. 86, 541-554.

85. Oliveberg, M., Brzezinski, P., and Malmstrom, B. G. (1989) The effect of pH and temperature on the reaction of fully reduced and mixed-valence cytochrome c oxidase with dioxygen, Biochim. Biophys. Acta 977, 322-328.

86. Blackmore, R. S., Greenwood, C., and Gibson, Q. H. (1991) Studies of the primary oxygen intermediate in the reaction of fully reduced cytochrome oxidase, J. Biol. Chem. 266, 19245-19249.

87. Verkhovsky, M. I., Morgan, J. E., and Wikstrom, M. (1994) Oxygen binding and activation: early steps in the reaction of oxygen with cytochrome c oxidase, Biochemistry 33, 3079-3086.

88. Pan, L. P., Frame, M., Durham, B., Davis, D., and Millett, F. (1990) Photoinduced electron transfer within complexes between plastocyanin and ruthenium bisbipyridine dicarboxybipyridine cytochrome c derivatives, Biochemistry 29, 3231-3236.

89. Pan, L. P., Hibdon, S., Liu, R.-Q., Durham, B., and Millett, F. (1993) Intracomplex Electron Transfer Between Ruthenium-Cytochrome c Derivatives and Cytochrome c Oxidase, Biochemistry 32, 8492-8498.

90. Geren, L., Durham, B., and Millett, F. (2009) Use of ruthenium photoreduction techniques to study electron transfer in cytochrome oxidase, Methods Enzymol. 456, 507520.

91. Farver, O., Chen, Y., Fee, J. A., and Pecht, I. (2006) Electron transfer among the CuA-, heme b- and ¿^-centers of Thermus thermophilus cytochrome ba3, FEBS Lett. 580, 3417— 3421.

92. Drachev, L. A., Kaulen, A. D., Semenov, A. Y., Severina, I. I., and Skulachev, V. P. (1979) Lipid-impregnated filters as a tool for studying the electric current-generating proteins, Anal. Biochem. 96, 250-262.

93. Zaslavsky, D., Kaulen, A., Smirnova, I. A., Vygodina, T. V., and Konstantinov, A. A. (1993) Flash-induced membrane potential generation by cytochrome c oxidase, FEBS Lett. 336, 389-393.

94. Verkhovsky, M. I., Morgan, J. E., Verkhovskaya, M., and Wikstrom, M. (1997) Translocation of electrical charge during a single turnover of cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys Acta 1318, 6-10.

95. Siletsky, S. A., Kaulen, A. D., and Konstantinov, A. A. (1997) Electrogenic events associated with peroxy- to ferryl-oxo state transition in cytochrome c oxidase, Eur. J. Biophys. 26, 98.

96. Siletsky, S. A., Kaulen, A. D., Mitchell, D., Gennis, R. B., and Konstantinov, A. A. (1996) Resolution of two proton conduction pathways in cytochrome c oxidase, EBEC Short Reports 9, 90.

97. Siletsky, S. A., Zhu, J., Gennis, R. B., and Konstantinov, A. A. (2010) Partial steps of charge translocation in the nonpumping N139L mutant of Rhodobacter sphaeroides cytochrome c oxidase with a blocked D-channel, Biochemistry 49, 3060-3073.

98. Jasaitis, A., Verkhovsky, M. I., Morgan, J. E., Verkhovskaya, M. L., and Wikstrom, M. (1999) Assignment and charge translocation stoichiometries of the electrogenic phases in the reaction of cytochrome c with dioxygen, Biochemistry 38, 2697-2706.

99. Lepp, H., and Brzezinski, P. (2009) Internal charge transfer in cytochrome c oxidase at a limited proton supply: Proton pumping ceases at high pH, Biochim. Biophys. Acta 1790, 552-557.

100. Verkhovsky, M. I., Jasaitis, A., Verkhovskaya, M. L., Morgan, L., and Wikstrom, M. (1999) Proton translocation by cytochrome c oxidase, Nature 400, 480-483.

101. Chance, B., Saronio, C., and Leigh, J. S., Jr. (1975) Functional intermediates in the reaction of membrane-bound cytochrome oxidase with oxygen, J. Biol. Chem. 250, 92269237.

102. Hill, B. C., and Greenwood, C. (1983) Spectroscopic evidence for the participation of compound A (Fe«3 -O2) in the reaction of mixed-valence cytochrome c oxidase with oxygen at room temperature, Biochem. J. 215, 659-667.

103. Oliveberg, M., and Malmstrijm, B. G. (1992) Reaction of Dioxygen with Cytochrome c Oxidase Reduced to Different Degrees: Indications of a Transient Dioxygen Complex with Copper-B, Biochemistry 31, 3560-3563.

104. Morgan, J. E., Verkhovsky, M. I., and Wikstrom, M. (1996) Observation and assignment of Peroxy and Ferryl Intermediates in the reduction of dioxygen to water by cytochrome c oxidase, Biochemistry 35, 12235-12240.

105. Hill, B. C., and Greenwood, C. (1984) The reaction of fully reduced cytochrome c oxidase with oxygen studied by flow-flash spectrophotometry at room temperature, Biochem. J. 218, 913-921.

106. Han, S., Ching, Y.-C., and Rousseau, D. L. (1990) Primary intermediate in the reaction of oxygen with fully reduced cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87, 24912495.

107. Proshlyakov, D. A., Pressler, M. A., and Babcock, G. T. (1998) Dioxygen activation and bond cleavage by mixed-valence cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 8020-8025.

108. Ogura, T., Takahashi, S., Shinzawa-Itoh, K., Yoshikawa, S., and Kitagawa, T. (1990) Observation of the Fe4+=0 stretching Raman band for cytochrome oxidase compound B at ambient temperature, J. Biol. Chem. 265, 14721-14723.

109. Proshlyakov, D. A., Pressler, M. A., DeMaso, C., Leykam, J. F., DeWitt, D. L., and Babcock, G. T. (2000) Oxygen activation and reduction in respiration: involvement of redox-active tyrosine 244, Science 290, 1588-1591.

110. Siegbahn, P., and Blomberg, M. R. A. (2004) Important roles of tyrosines in Photosystem II and cytochrome oxidase, Biochim Biophys Acta 1655, 45-50.

111. MacMillan, F., Budiman, K., Angerer, H., and Michel, H. (2006) The role of triptophan 272 in the Paracoccus denitrificans cytochrome c oxidase, FEBS Lett 580, 1345-1349.

112. Wiertz, F. G. M., Richter, O.-M. H., Ludwig, B., and de Vries, S. (2007) Kinetic resolution of a tryptophan-radical intermediate in the reaction cycle of Paracoccus denitrificans cytochrome c oxidase,/. Biol. Chem. 282, 31580-31591.

113. Sucheta, A., Szundi, I., and Einarsdottir, O. (1998) Intermediates in the Reaction of Fully reduced Cytochrome с Oxidase with Dioxygen, Biochemistry 37, 17905-17914.

114. Einarsdottir, O., Szundi, I., Van Eps, N., and Sucheta, A. (2002) Рм and Pr forms of cytochrome с oxidase have different spectral properties, J. Inorg. Biochem. 91, 87-93.

115. Karpefors, M., Adelroth, P., Namslauer, A., Zhen, Y., and Brzezinski, P. (2000) Formation of the "peroxy" intermediate in cytochrome с oxidase is associated with internal proton/hydrogen transfer, Biochemistry 39, 14664-14669.

116. Hill, В. C. (1991) The Reaction of the Electrostatic Cytochrome c-Cytochrome Oxidase Complex with Oxygen, J. Biol. Chem. 266, 2219-2226.

117. Wikstrom, M. (1987) Insight into the Mechanism of Cellular Respiration from its Partial Reversal in Mitochondria, Chemica Scripta 27В, 53-58.

118. Wikstrom, M., and Morgan, J. E. (1992) The Dioxygen Cycle, J. Biol. Chem. 267, 10266-10273.

119. Orii, Y., and Okunuki, K. (1963) Studies on Cyochrome a. X. Effect of Hydrogen Peroxide on Absorption spectra of Cytochrome a, J. Biochem. 54, 207-213.

120. Fabian, M., and Palmer, G. (1995) The Reaction of Cyanide with Peroxidatic Forms of Cytochrome Oxidase, Biochemistry 34, 1534-1540.

121. Bickar, D., Bonaventura, C., and Bonaventura, J. (1984) Carbon Monoxide-driven Reduction of Ferric Heme and Heme Proteins, J. Biol. Chem. 259, 10777-10783.

122. Nicholls, P., and Chanady, G. A. (1981) Interactions of Cytochrome aa3 with Oxygen and Carbon Monoxide, Biochim. Biophys. Acta 634, 256-265.

123. Witt, S. N., Blair, D. F., and Chan, S. I. (1986) Chemical and Spectroscopic Evidence for the Formation of a Ferryl Fea3 Intermediate during Turnover of Cytochrome с Oxidase, J. Biol. Chem. 261.

124. Mitchell, R., Mitchell, P., and Rich, P. R. (1992) Protonation States of the Catalytic Intermediates of Cytochrome с Oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1101, 188-191.

125. Mitchell, R., and Rich, P. R. (1994) Proton Uptake by Cytochrome с Oxidase on Reduction and on Ligand Binding, Biochim. Biophys. Acta 1186, 19-26.

126. Kaila, V. R., Verkhovsky, M. I., and Wikstrom, M. (2010) Proton-coupled electron transfer in cytochrome oxidase, Chem. Rev. 110, 7062-7081.

127. Babcock, G. T., Varotsis, C., and Zhang, Y. (1992) O2 Activation in Cytochrome Oxidase and in Other Heme Proteins, Biochim. Biophys. Acta 1101, 192-194.

128. Wikstrom, M. (1989) Identification of the Electron Transfers in Cytochrome Oxidase that are Coupled to Proton-Pumping, Nature 338, 776-778.

129. Wikstrom, M. (1981) Energy-Dependent Reversal of the Cytochrome Oxidase Reaction, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 4051-4054.

130. Hinkle, P., and Mitchell, P. (1970) Effect of membrane potential on the redox poise between cytochrome a and cytochrome c in rat liver mitochondria, J Bioenerg 1,45-60.

131. Michel, H. (1998) The mechanism of proton pumping by cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci USA 95, 12819-12824.

132. Vygodina, T. V., Capitanio, N., Papa, S., and Konstantinov, A. A. (1997) Proton pumping by cytochrome c oxidase is coupled to peroxidase half of its catalytic cycle., FEBSLett. 412, 405-409.

133. Liberman, E. A. (1977) Potential difference across the membrane of subcellular vesicles. III. Proton channels in oxidative phosphorylation, Biophysics (Moscow) 22, 1115-1128.

134. Mitchell, P. (1966) Chemiosmotic Coupling in Oxidative and Photosynthetic Phosphorylation, Glynn Research Ltd., Bodmin, UK.

135. Rich, P. R. (1991) The Osmochemistry of Electron-transfer Complexes, Bioscience Reports 77,539-571.

136. Hunsicker-Wang, L. M., Pacoma, R. L., Chen, Y., Fee, J. A., and Stout, C. D. (2005) A novel cryoprotection scheme for enhancing the diffraction of crystals of recombinant cytochrome ba^ oxidase from Thermus thermophilus, Acta Cryst D61, 340-343.

137. Oertling, W. A., Surerus, K. K., Einarsdyttir, O., Fee, J. A., Dyer, R. B., and Woodruff, W. H. (1994) Spectroscopic Characterization of Cytochrome ba3, a Terminal Oxidase

138. From Thermus thermophilus: Comparison of the ¿Z3/CUB Site to That of Bovine Cytochrome aa^, Biochemistry 33, 3128-3141.

139. Giuffre, A., Forte, E., Antonini, G., D'ltri, E., Brunori, M., Soulimane, T., and Buse, G. (1999) Kinetic properties of ba^ oxidase from Thermus thermophilus: Effect of temperature, Biochemistry 38,1057-1065.

140. Das, T. K., Gomes, C. M., Bandeiras, T. M., Pereira, M. P., Teixeira, M., and Rousseau, D. L. (2004) Active site structure of the aa.3 quinol oxidase of Acidianus ambivalens, Biochim. Biophys .Acta 1655.

141. Pereira, M. M., and Teixeira, M. (2004) Proton pathways, ligand binding and dynamics of the catalytic site in haem-copper oxygen reductases: a comparison between the three families, Biochim. Biophys. Acta 1655, 340-346.

142. Kannt, A., Soulimane, T., Buse, G., Becker, A., Bamberg, E., and Michel, H. (1998) Electrical current generation and proton pumping catalyzed by the 6a3-type cytochrome c oxidase from Thermus thermophilus, FEBS Lett 434, 17-22.

143. Fowler, L. R., Richardson, S. H., and Hatefi, Y. (1962) A rapid method for the preparation of highly purified cytochrome oxidase, Biochim. Biophys. Acta 64, 170-173.

144. MacLennan, D. H., and Tzagoloff, A. (1965) The isolation of a copper protein from cytochrome oxidase, Biochim. Biophys.Acta 96, 166-168.

145. Soulimane, T., and Buse, G. (1995) Integral cytochrome-c oxidase. Preparation and progress towards a three-dimensional crystallization, Eur. J. Biochem. 227, 588-595.

146. Crane, F. L., Glenn, J. L., and Green, D. E. (1956) Studies on the electron transfer system. IV. The electron transfer particle, Biochim. Biophys. Acta 22, 475-487.

147. Mitchell, D. M., and Gennis, R. B. (1995) Rapid Purification of Wildtype and Mutant Cytochrome c Oxidase from Rhodobacter sphaeroides by Ni -NTA Affinity Chromatography, FEBS Lett. 368, 148-150.

148. Racker, E. (1972) Reconstitution of cytochrome oxidase vesicles and conferral of sensitivity to energy transfer inhibitors, J. Membr. Biol. 10, 221-235.

149. Rigaud, J.-L., Pitard, B., and Levy, D. (1995) Reconstitution of membrane proteins into liposomes: application to energy-transducing membrane proteins, Biochim. Biophys.Acta 1231, 223-246.

150. Drachev, L. A.,' Kaulen, A. D., and Skulachev, V. P. (1978) Time Resolution of the Intermediate Steps in the Bacteriorhodopsin-Linked Electrogenesis, FEBS Lett. 87, 161167.

151. Fry, D. W., White, J. C., and Goldman, I. D. (1978) Rapid separation of low molecular weight solutes from liposomes without dilution, Anal Biochem 90, 809-815.

152. Provencher, S. W. (1976) A Fourier method for the analysis of exponential decay curves, Biophys. J. 16, 27-41.

153. Medvedev, D. M., Medvedev, E. S., Kotelnikov, A. I., and Stuchebrukhov, A. A. (2005) Analysis of the kinetics of the membrane potential generated by cytochrome c oxidase upon single electron injection., Biochim. Biophys. Acta 1710, 47-56.

154. Sutin, N. C., C. (1978) Adv. Chem. Ser. 168, 1-27.

155. Mayo, S. L., Ellis, W. R., Jr., Crutchley, R. J., and Gray, H. B. (1986) Long-range electron transfer in heme proteins, Science 233, 948-952.

156. Vygodina, T. V., and Konstantinov, A. A. (1988) HhCb-Induced Conversion of Cytochrome c Oxidase Peroxy Complex to Oxoferryl State, Ann. NY Acad. Sci. 550, 124138.

157. Siletsky, S., Zaslavsky, D., Smirnova, I., Kaulen, A., and Konstantinov, A. (2000) F-to-0 transition of cytochrome c oxidase: pH and temperature effects on kinetics of charge translocation Biochem Soc Trans 28, A457.

158. Brzezinski, P. (1996) Internal Electron-Transfer Reactions in Cytochrome c Oxidase, Biochemistry 35, 5611-5615.

159. Laidler, K. J. (1972) Unconvenitonal applications of the Arrhenius Law J Chem Educ 49, 343-344.

160. Mamedov, M. D., Tyunyatkina, A. A., Siletsky, S. A., and Semenov, A. Y. (2006) Voltage changes involving photosystem II quinone-iron complex turnover, Eur Biophys J 35, 647-654.

161. Maroti, P., and Wraight, C. A. (1997) Kinetics of H+ ion binding by the P+QA"state of bacterial photosynthetic reaction centers: rate limitation within the protein, Biophys J 73, 367-381.

162. Vygodina, T., and Konstantinov, A. (1989) Effect of pH on the Spectrum of Cytochrome c Oxidase Hydrogen Peroxide Complex, Biochim. Biophys. Acta 973, 390-398.

163. Fabian, M., and Palmer, G. (1995) The Interaction of Cytochrome Oxidase with Hydrogen Peroxide: The Relationship of Compounds P and F, Biochemistry 34, 1380213810.

164. Rich, P., and Moody, A. J. (1997) Cytochrome c Oxidase, In Bioenergetics (Graber, P., and Milazzo, G., Eds.), pp 419-456, Birkhauser.

165. Siletsky, S. A., Kaulen, A. D., and Konstantinov, A. A. (1997) Electrogenic events associated with peroxy-to-ferryl-oxo state transition in cytochrome c oxidase, Eur J Biophys 26, 98.

166. Fabian, M., and Palmer, G. (2001) Proton Involvement in the Transition from the "Peroxy" to the Ferryl Intermediate of Cytochrome c Oxidase, Biochemistry 40, 18671874.

167. Gorbikova, E. A., Belevich, N. P., Wikstrom, M., and Verkhovsky, M. I. (2007) Time-resolved ATR-FTIR spectroscopy of the oxygen reaction in the D124N mutant of cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans, Biochemistry 46, 13141-13148.

168. Liao, G.-L., and Palmer, G. (1996) The reduced minus oxidized spectra of cytochromes a and <33, Biochim. Biophys. Acta 1274, 109-111.

169. Zaslavsky, D., Sadoski, R. C., Wang, K., Durham, B., Gennis, R. B., and Millett, F. (1998) Single electron reduction of cytochrome c oxidase compound F: resolution of partial steps by transient spectroscopy, Biochemistry 37, 14910-14916.

170. Sharpe, M. A., and Ferguson-Miller, S. (2008) A chemically explicit model for the mechanism of proton pumping in heme-copper oxidases., J. Bioenerg. Biomembr. 40, 541-549.

171. Lee, H. J., Svahn, E., Swanson, J. M., Lepp, H., Voth, G. A., Brzezinski, P., and Gennis, R. B. (2010) Intricate role of water in proton transport through cytochrome c oxidase, J Am Chem Soc 132, 16225-16239.

172. Verkhovsky, M. I., Morgan, J. E., and Wikstrijm, M. (1995) Control of Electron Delivery to the Oxygen Reduction Site of Cytochrome c Oxidase: A Role for Protons, Biochemistry 34, 7483-7491.

173. Siletsky, S. A., and Konstantinov, A. A. (2012) Cytochrome c oxidase: Charge translocation coupled to single-electron partial steps of the catalytic cycle, Biochim BiophysActa 1817, 476-488.

174. Morgan, J. E., Verkhovsky, M. I., and Wikstrum, M. (1994) The Histidine Cycle: A New Model for Proton Translocation in the Respiratory Heme-copper Oxidases, J. Bioenerg. Biomembr. 26, 599-608.

175. Rich, P. R. (1995) Towards an Understanding of the Chemistry of Oxygen Reduction and Proton Translocation in the Iron-Copper Respiratory Oxidases, Aust. J. Plant Physiol. 22, 479-486.

176. Konstantinov, A. (1998) Cytochrome c oxidase as a proton-pumping peroxidase: reaction cycle and electro genie mechanism., J. Bioenerg. Biomembr. 30, 121-130.

177. Decoursey, T. E. (2003) Voltage-gated proton channels and other proton transfer pathways, Physiol Rev 83, 475-579.

178. Salomonsson, L., Branden, G., and Brzezinski, P. (2008) Deuterium isotope effect of proton pumping in cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1777, 343-350.

179. Agmon, N. (1995) The Grotthus Mechanism, Chem. Phys. Lett. 244,456-462.

180. Wikstrom, M. K. F. (1998) Proton translocation by the respiratory haem-copper oxidases, Biochim. Biophys. Acta 1365, 185-192.

181. Wikstrom, M., Verkhovsky, M. I., and Hummer, G. (2003) Water-gated mechanism of proton translocation by cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 45238, 1-5.

182. Mills, D. A., Florens, L., Hiser, C., Qian, J., and Ferguson-Miller, S. (2000) Where is 'outside' in cytochrome c oxidase and how and when do protons get there?, Biochim. Biophys. Acta 1458, 180-187.

183. Kuznetsova, S. S., Azarkina, N. V., Vygodina, T. V., Siletsky, S. A., and Konstantinov, A. A. (2005) Zinc ions as cytochrome c oxidase inhibitors: two sites of action, Biochemistry (Mosc) 70, 128-136.

184. Skulachev, V. P., Chistyakov, V. V., Jasaitis, A. A., and Smirnova, E. G. (1967) Biochem. Biophys. Res. Commun. 26, 1-6.

185. Lorusso, M., Cocco, T., Sardanelli, A. M., Minuto, M., Bonomi, F., and Papa, S. (1991) Interaction of Zn2+ with the bovine-heart mitochondrial bcl complex, Eur J Biochem 197, 555-561.

186. Paddock, M. L., Graige, M. S., Feher, G., and Okamura, M. Y. (1999) Identification of the proton pathway in bacterial reaction centers: inhibition of proton transfer by binding of Zn2+ or Cd2+, Proc Natl Acad Sci USA 96, 6183-6188.

187. Nicholls, P., and Singh, A. P. (1988) Life Sci. Adv. (Biochemistry, Delhi) 7, 321-326.

188. Berry, E. A., Zhang, Z., Bellamy, H. D., and Huang, L. (2000) Crystallographic location of two Zn(2+)-binding sites in the avian cytochrome bc(l) complex, Biochim. Biophys. Acta 1459, 440-448.

189. Kannt, A., Ostermann, T., Muller, H., and Ruitenberg, M. (2001) Zn2+ binding to the cytoplasmic side of Paracoccus denitrificans cytochrome c oxidase selectively uncouples electron transfer and proton translocation, FEBS Lett 503, 142-146.

190. Aagaard, A., Namslauer, A., and Brzezinski, P. (2002) Inhibition of proton transfer in cytochrome c oxidase by zinc ions: delayed proton uptake during oxygen reduction, Biochim. Biophys. Acta 1555, 133-139.

191. Martino, P. L., Capitanio, G., Capitanio, N., and Papa, S. (2011) Inhibition of proton pumping in membrane reconstituted bovine heart cytochrome c oxidase by zinc binding at the inner matrix side, Biochim. Biophys. Acta 1807, 1075-1082.

192. Mills, D. A., Schmidt, В., Hiser, C., Westley, E., and Ferguson-Miller, S. (2002) Membrane Potential-controlled Inhibition of Cytochrome с Oxidase by Zinc, J Biol С hem 277, 14894-14901.

193. Kuznetsova, S. S., Azarkina, N. V., Vygodina, Т. V., Siletsky, S. A., and Konstantinov, A. A. (2005) Zink ions as cytochrome с oxidase inhibitors: two sites of action, Biochemistry (Moscow) 70, 128-136.

194. Popovic, D. M., and Stuchebryukhov, A. A. (2004) Proton pumping mechanism and catalytic cycle of cytochrome с oxidase: Coulomb pump model with kinetic gating, FEBS Lett. 566, 126-130.

195. Zimmermann, В. H., Nitsche, С. I., Fee, J. A., Rusnak, F., and Munck, E. (1988) Properties of a copper-containing cytochrome bai: a second terminal oxidase from the extreme thermophile Thermus Thermophilus, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 5779-5783.

196. Siletsky, S. A., Belevich, I., Jasaitis, A., Konstantinov, A. A., Wikstrom, M., Soulimane, Т., and Verkhovsky, M. I. (2007) Time-resolved single-turnover of ba3 oxidase from Thermus thermophilus, Biochim. Biophys. Acta 1767, 1383-1392.

197. Williams, P. A., Fulop, V., Garman, E. F., Saunders, N. F. W., Ferguson, S. J., and Hajdu, J. (1997) Haem-ligand switching during catalysis in crystals of a nitrogen-cycle enzyme, Nature (London) 389, 406-412.

198. Sucheta, A., Georgiadis, К. E., and Einarsdyttir, O. (1997) Mechanisms of Cytochrome с Oxidase-catalyzed Reduction of Dioxygen to Water: Evidence for Peroxy and Ferryl Intermediates at Room Temperature, Biochemistry 36, 554-565.

199. Adelroth, P., Ek, M., and Brzezinski, P. (1998) Factors determining electron-transfer rates in cytochrome с oxidase: investigation of the oxygen reaction in the R.sphaeroides enzyme, Biochim. Biophys. Acta 1367, 107-117.

200. Faxen, K., Gilderson, G., Adelroth, P., and Brzezinski, P. (2005) A mechanistic principle for proton pumping by cytochrome с oxidase, Nature 437, 286-289.

201. Verkhovsky, M. I., Morgan, J. E., Puustinen, A., and Wikstrom, M. (1996) The "ferrous-oxy" intermediate in the reaction of dioxygen with fully reduced cytochromes aa3 and bo3, Biochemistry 35, 16241-16246.

202. Smirnova, I., Adelroth, P., Gennis, R. B., and Brzezinski, P. (1999) Aspartate-132 in cytochrome c oxidase from Rhodobacter sphaeroides is involved in a two-step proton transfer during oxo-ferryl formation, Biochemistry 38, 6826-6833.

203. Lee, A., Kirichenko, A., Vygodina, T., Siletsky, S. A., Das, T. K., Rousseau, D. L., Gennis, R. A., and Konstantinov, A. A. (2002) Ca2+ -binding site in Rhodobacter sphaeroides cytochrome c oxidase., Biochemistry 41, 8886-8898.

204. Gennis, R. (1998) How does cytochrome oxidase pump protons, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 12747-12749.

205. Artzatbanov, V. Y., Konstantinov, A. A., and Skulachev, V. P. (1978) Involvement of Intramitochondrial Protons in Redox Reactions of Cytochrome a, FEBS Lett. 87, 180185.

206. Michel, H. (1999) Cytochrome c oxidase: Catalytic Cycle and Mechanism of Proton Pumping A Discussion, Biochemistry 38, 15129-15140.

207. Verkhovsky, M. I., Belevich, N., Morgan, J. E., and Wikstrom, M. (1999) Proton linkage of cytochrome a oxidoreduction in carbon monoxide-treated cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 141, 184-189.

208. Ellis, W. R., Jr., Wang, H., Blair, D. F., Gray, H. B., and Chan, S. I. (1986) Spectroelectrochemical Study of the Cytochrome a Site in Carbon Monoxide Inhibited Cytochrome c Oxidase, Biochemistry 25, 161-167.

209. Moser, C. C., Page, C. C., and Dutton, P. L. (2006) Darwin at the molecular scale: selection and variance in electron tunnelling proteins including cytochrome c oxidase, Philos Trans R Soc LondB Biol Sci 361, 1295-1305.

210. Malmstrom, B. G. (1994) Rack-induced Bonding in Blue-Copper Proteins, Eur. J. Biochem 223, 711-718.

211. Kozlova, M. A., Juhnke, H. D., Cherepanov, D. A., Lancaster, C. R., and Mulkidjanian, A. Y. (2008) Proton transfer in the photo synthetic reaction center of Blastochloris viridis, FEBS Lett 582, 238-242.

212. Gorbikova, E. A., Belevich, I., Wikstrom, M., and Verkhovsky, M. I. (2008) The proton donor for 0-0 bond scission by cytochrome c oxidase, Proc Natl Acad Sci USA 105, 10733-10737.

213. Gomes, C. M., Backgren, C., Teixeira, M., Puustinen, A., Verkhovskaya, M. L., Wikstrom, M., and Verkhovsky, M. I. (2001) Heme-copper oxidases with modified D-and K-pathways are yet efficient proton pumps, FEBS Lett 497, 159-164.

214. Morgan, J. E., Verhovsky, M. I., Palmer, G., and Wikstrom, M. (2001) Role of the PR intermediate in the reaction of cytochrome c oxidase with O2, Biochemistry 40, 68826892.

215. Namslauer, A., and Brzezinski, P. (2004) Structural elements involved in electron-coupled proton transfer in cytochrome c oxidase, FEBS Lett 567, 103-110.

216. Gorbikova, E. A., Wikstrom, M., and Verkhovsky, M. I. (2008) The protonation state of the cross-linked tyrosine during the catalytic cycle of cytochrome c oxidase, J.Biol. Chem. 283, 34907-34912.

217. Lepp, H., Svahn, E., Faxen, K., and Brzezinski, P. (2008) Charge transfer in the K proton pathway linked to electron transfer to the catalytic site in cytochrome c oxidase, Biochemistry 47, 4929-4935.

218. Sharpe, M. A., Krzyaniak, M. D., Xu, S., McCracken, J., and Ferguson-Miller, S. (2009) EPR Evidence of Cyanide Binding to the Mn(Mg) Center of Cytochrome c Oxidase: Support for CuA-Mg Involvement in Proton Pumping (dagger). Biochemistry 48, 328335.

219. Lepp, H., Salomonsson, L., Zhu, J.-P., Gennis, R. B., and Brzezinski, P. (2008) Impaired proton pumping in cytochrome c oxidase upon structural alteration of the D pathway, Biochim. Biophys. Acta 1777, 897-903.

220. Papa, S. (2005) Role of cooperative H(+)/e(-) linkage (redox bohr effect) at heme a/Cu(A) and heme a(3)/Cu(B) in the proton pump of cytochrome c oxidase, Biochemistry (Mosc) 70, 178-186.

221. Papa, S., Capitanio, N., and Capitanio, G. (2004) A cooperative model for proton pumping in cytochrome c oxidase., Biochim. Biophys. Acta 1655, 353-364.

222. Papa, S., Capitanio, N., Capitanio, G., and Palese, L. (2004) Protonmotive cooperativity in cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1658, 95-105.

223. Yoshikawa, S. (2003) A cytochrome c oxidase proton pumping mechanism that excludes the 02 reduction site, FEBS Lett. 555, 8-12.

224. Yoshikawa, S., Muramoto, K., Shinzawa-Itoh, K., Aoyama, H., Tsukihara, T., Ogura, T., Shimokata, K., Katayama, Y., and Shimada, H. (2006) Reaction mechanism of bovine heart cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1757, 395-400.

225. Salje, J., Ludwig, B., and Richter, O.-M. H. (2005) Is a third proton-conducting pathway operative in bacterial cytochrome c oxidase?, Biochem. Soc. Transactions:, 829-831.

226. Mills, D. A., Tan, Z., Ferguson-Miller, S., and Hosier, J. (2003) A role for subunit III in proton update into the D pathway and possible proton exit pathway in Rhodobacter sphaeroides cytochrome c oxidase, Biochemistry 42, 7410-7417.

227. Gelles, J., Blair, D. F., and Chan, S. I. (1986) The Proton-Pumping Site of Cytochrome c Oxidase: A Model of its Structure and Mechanism, Biochim. Biophys. Acta 853, 205-236.

228. Mitchell, P. (1988) Possible Proton Motive Osmochemistry in Cytochrome Oxidase, Ann. N.Y. Acad. Sci. 550, 185-198.

229. Babcock, G. T., and Callahan, P. M. (1983) Redox-Linked Hydrogen Bond Strength Changes in Cytochrome a: Implications for a Cytochrome Oxidase Proton Pump, Biochemistry 22, 2314-2319.

230. Puustinen, A., Finel, M., Virkki, M., and Wikstriim, M. (1989) Cytochrome o(bo) is a Proton Pump in Paracoccus denitrificans and Escherichia coli, FEBS Lett. 249, 163-167.

231. Namslauer, A., Aagaard, A., Katsonouri, A., and Brzezinski, P. (2003) Intramolecular proton-transfer reactions in a membrane-bound proton pump: the effect of pH on the peroxy to ferryl transition in cytochrome c oxidase, Biochemistry 42, 1488-1498.

232. Siletsky, S., and Konstantinov, A. A. (2006) Electrogenic mechanism of cytochrome c oxidase, The 8th European Biological Chemistry Conference, 80.

233. Wikstrom, M., and Verkhovsky, M. I. (2006) Towards the mechanism of proton pumping by the haem-copper oxidases, Biochim. Biophys. Acta 1757, 1047-1051.

234. Sugitani, R., Medvedev, E. S., and Stuchebrukhov, A. A. (2008) Theoretical and computational analysis of the membrane potential generated by cytochrome c oxidase upon single electron injection into the enzyme, Biochim. Biophys. Acta 1777, 1129-1139.

235. Wikstrom, M., Ribacka, C., Molin, M., Laakkonen, L., Verkhovsky, M. I., and Puustinen, A. (2005) Gating of proton and water transfer in the respiratory enzyme cytochrome c oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10478-10481.

236. Zheng, X., Medvedev, D. M., Swanson, J., and Stuchebrukhov, A. A. (2003) Computer simulation of water in cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1557, 99-107.

237. Tashiro, M., and Stuchebrukhov, A. A. (2005) Thermodynamic properties of internal water molecules in the hydrophobic cavity around the catalytic center of cytochrome c oxidase, JPhys Chem B 109, 1015-1022.

238. Olsson, M. H. M., Sharma, P. K., and Warshel, A. (2005) Simulating redox coupled proton transfer in cytochrome c oxidase: looking for the proton bottleneck, FEBS Lett. 579, 2026-2034.

239. Pereira, M. M., Sousa, F. L., Teixeira, M., Nyquist, R. M., and Heberle, J. (2006) A tyrosine residue deprotonates during oxygen reduction by the caa3 reductase from Rhodothermus marinus, FEBS Lett. 580, 1350-1354.

240. Siletsky, S. A., and Konstantinov, A. A. (2012) Cytochrome c oxidase: charge translocation coupled to single-electron partial steps of the catalytic cycle, Biochim. Biophys. Acta 1817, 476-488.

241. Brzezinski, P., and Larsson, G. (2003) Redox-driven proton pumping by heme-copper oxidases, Biochim. Biophys. Acta 1605,1-13.

242. Popovic, D. M., and Stuchebryukhov, A. A. (2004) Electrostatic Study of the Proton Pumping Mechanism in Bovine Heart Cytochrome c Oxidase, J. Am. Chem. Soc. 126, 1858-1871.

243. Kaila, V. R., Sharma, V., and Wikstrom, M. (2011) The identity of the transient proton loading site of the proton-pumping mechanism of cytochrome c oxidase, Biochim. Biophys. Acta 1807, 80-84.

244. Siegbahn, P. E. M., and Blomberg, M. R. A. (2008) Proton pumping mechanism in cytochrome c oxidase, J. Phys. Chem. 112, 12772-12780.