We used electron cryotomography to study the molecular arrangement of large respiratory chain complexes in mitochondria from bovine heart, potato, and three types of fungi. Long rows of ATP synthase dimers were observed in intact mitochondria and cristae membrane fragments of all species that were examined. The dimer rows were found exclusively on tightly curved cristae edges. The distance between dimers along the rows varied, but within the dimer the distance between F(1) heads was constant. The angle between monomers in the dimer was 70° or above. Complex I appeared as L-shaped densities in tomograms of reconstituted proteoliposomes. Similar densities were observed in flat membrane regions of mitochondrial membranes from all species except Saccharomyces cerevisiae and identified as complex I by quantum-dot labeling. The arrangement of respiratory chain proton pumps on flat cristae membranes and ATP synthase dimer rows along cristae edges was conserved in all species investigated. We propose that the supramolecular organization of respiratory chain complexes as proton sources and ATP synthase rows as proton sinks in the mitochondrial cristae ensures optimal conditions for efficient ATP synthesis.

Energy conversion in complex 1 ATP, the energy source of the cell, is synthesized by a protein residing in the mitochondrial inner membrane. The synthesis is driven by a proton gradient generated by redox reactions that transfer electrons between a series of enzymes in the membrane. The largest complex in this electron transfer chain is the 1-MD complex 1. It couples electron transfer from NADH to ubiquinone to the translocation of four protons. Zickermann et al. report the crystal structure of a complex comprising the 14 central subunits and the largest accessory subunit of mitochondrial complex 1 from a yeast-genetic model at 3.6 Å resolution. The structure identifies four potential proton translocation pathways and gives insight into how energy from the redox reactions is transmitted to drive proton pumping. Science , this issue p. 44

Complex I Under Scrutiny Mitochondrial complex I is a large macromolecular membrane complex that couples electron transfer to proton pumping across the mitochondrial membrane and helps to drive adenosine 5′-triphosphate synthesis. Hunte et al. (p. 448 , published online 1 July) now describe the structure of complex 1 from the aerobic yeast, Yarrowia lipolytica . The sites involved in redox chemistry are distant from those that pump protons, and the structure suggests that a 60-angstrom-long helix is involved in transducing energy to the proton-pumping elements.

We determined the structure of a complete, dimeric F1Fo-ATP synthase from yeast Yarrowia lipolytica mitochondria by a combination of cryo-EM and X-ray crystallography. The final structure resolves 58 of the 60 dimer subunits. Horizontal helices of subunit a in Fo wrap around the c-ring rotor, and a total of six vertical helices assigned to subunits a, b, f, i, and 8 span the membrane. Subunit 8 (A6L in human) is an evolutionary derivative of the bacterial b subunit. On the lumenal membrane surface, subunit f establishes direct contact between the two monomers. Comparison with a cryo-EM map of the F1Fo monomer identifies subunits e and g at the lateral dimer interface. They do not form dimer contacts but enable dimer formation by inducing a strong membrane curvature of ∼100°. Our structure explains the structural basis of cristae formation in mitochondria, a landmark signature of eukaryotic cell morphology.

Abstract Respiratory complex I in mitochondria and bacteria catalyzes the transfer of electrons from NADH to quinone (Q). The free energy available from the reaction is used to pump protons and to establish a membrane proton electrochemical gradient, which drives ATP synthesis. Even though several high-resolution structures of complex I have been resolved, how Q reduction is linked with proton pumping, remains unknown. Here, microsecond long molecular dynamics (MD) simulations were performed on Yarrowia lipolytica complex I structures where Q molecules have been resolved in the ~30 Å long Q tunnel. MD simulations of several different redox/protonation states of Q reveal the coupling between the Q dynamics and the restructuring of conserved loops and ion pairs. Oxidized quinone stabilizes towards the N2 FeS cluster, a binding mode not previously described in Yarrowia lipolytica complex I structures. On the other hand, reduced (and protonated) species tend to diffuse towards the Q binding sites closer to the tunnel entrance. Mechanistic and physiological relevance of these results are discussed.

Summary Mitochondrial NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) is a 1 MDa membrane protein complex with a central role in energy metabolism. Redox-driven proton translocation by complex I contributes substantially to the proton motive force that drives ATP synthase. Several structures of complex I from bacteria and mitochondria have been determined but its catalytic mechanism has remained controversial. We here present the cryo-EM structure of complex I from Yarrowia lipolytica at 2.1 Å resolution, which reveals the positions of more than 1600 protein-bound water molecules, of which ∼100 are located in putative proton translocation pathways. Another structure of the same complex under steady-state activity conditions at 3.4 Å resolution indicates conformational transitions that we associate with proton injection into the central hydrophilic axis. By combining high-resolution structural data with site-directed mutagenesis and large-scale molecular dynamics simulations, we define details of the proton translocation pathways, and offer new insights into the redox-coupled proton pumping mechanism of complex I.

Abstract Multiple resistance and pH adaptation (Mrp) cation/proton antiporters are essential for growth of a variety of halophilic and alkaliphilic bacteria under stress conditions. Mrp-type antiporters are closely related to the membrane domain of respiratory complex I. We determined the structure of the Mrp antiporter from Bacillus pseudofirmus by electron cryo-microscopy at 2.2 Å resolution. The structure resolves more than 99% of the sidechains of the seven membrane subunits MrpA to MrpG plus 360 water molecules, including ∼70 in putative ion translocation pathways. Molecular dynamics simulations based on the high-resolution structure revealed details of the antiport mechanism. We find that switching the position of a histidine residue between three hydrated pathways in the MrpA subunit is critical for proton transfer that drives gated transmembrane sodium translocation. Several lines of evidence indicate that the same histidine-switch mechanism operates in respiratory complex I.

The charge states of titratable amino acid residues play a key role in the function of membrane-bound bioenergetic proteins. However, determination of these charge states both through experimental and computational approaches is extremely challenging. Cryo-EM density maps can provide insights on the charge states of titratable amino acid residues. By performing classical atomistic molecular dynamics simulations on the high resolution cryo-EM structures of respiratory complex I from Yarrowia lipolytica, we analyze the conformational and charge states of a key acidic residue in its ND1 subunit, aspartic acid D203, which is also a mitochondrial disease mutation locus. We suggest that in the native state of respiratory complex I, D203 is negatively charged and maintains a stable hydrogen bond to a conserved arginine residue. Alternatively, upon conformational change in the turnover state of the enzyme, its sidechain attains a charge-neutral status. We discuss the implications of this analysis on the molecular mechanism of respiratory complex I.

Abstract Classical molecular dynamics (MD) simulations provide unmatched spatial and time resolution of protein structure and function. However, accuracy of MD simulations often depends on the quality of force field parameters and the time scale of sampling. Another limitation of conventional MD simulations is that the protonation states of titratable amino acid residues remain fixed during simulations, even though protonation state changes coupled to conformational dynamics are central to protein function. Due to the uncertainty in selecting protonation states, classical MD simulations are sometimes performed with all amino acids modeled in their standard charged states at pH 7. Here we performed and analyzed classical MD simulations on high-resolution cryo-EM structures of two membrane proteins that transfer protons by catalyzing protonation/deprotonation reactions. In simulations performed with amino acids modeled in their standard protonation state the structure diverges far from its starting conformation. In comparison, MD simulations performed with pre-determined protonation states of amino acid residues reproduce the structural conformation, protein hydration, and protein-water and protein-protein interactions of the structure much better. The results suggest it is crucial to perform basic protonation state calculations, especially on structures where protonation changes play an important functional role, prior to launching any MD simulations. Furthermore, the combined approach of protonation state prediction and MD simulations can provide valuable information on the charge states of amino acids in the cryo-EM sample. Even though accurate prediction of protonation states currently remains a challenge, we introduce an approach of combining pKa prediction with cryo-EM density map analysis that helps in improving not only the protonation state predictions, but also the atomic modeling of density data.