Transformation of a membrane protein from the respiratory chain into a sensor for the analysis of its interaction with substrates, inhibitors and lipids

par Sébastien Kriegel

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Petra Hellwig et de Friedrich Thorsten.

Soutenue le 11-12-2013

à Strasbourg en cotutelle avec l'Albert-Ludwigs-Universität (Fribourg-en-Brisgau, Allemagne) , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg) , en partenariat avec Chimie de la matière complexe (Strasbourg) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Burkhard Bechinger.

Les rapporteurs étaient Alain Walcarius, Oliver Einsle.

  • Titre traduit

    Transformation d'une protéine membranaire de la chaîne respiratoire en une sonde pour l'analyse de substrats, inhibiteurs et lipides


  • Résumé

    Le domaine de la bioénérgétique traîte de la circulation et de la transformation de l’énergie dans et entre des organismes et leur environnement. Dans ce manuscrit de thèse, la respiration cellulaire et plus particulièrement la première enzyme de la chaîne respiratoire, la NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complexe I) ont été étudiées, dans l’objectif de clarifier sa fonction et son implication dans certaines maladies. Dans une première partie, la création d’une sonde impliquant l’enzyme immobilisée de façon biomimétique est décrite. La caractérisation de ce système est effectuée via spectroscopie infrarouge par exaltation de surface (SEIRAS) couplée à de l’électrochimie. Sa réponse à l’ajout de substrats et d’inhibiteurs est ensuite présentée. Dans une seconde partie, l’interaction du Complexe I avec des lipides et des inhibiteurs (Zn2+ et NADH-OH) ainsi que le rôle d’une Tyrosine située au site de fixation du NADH ont été étudiés par spectroscopies IR et UV-Vis différentielles induites par électrochimie. L’exploration des résultats obtenus sous un angle structural a finalement permis de proposer un modèle pour le mécanisme de couplage entre la réduction d’ubiquinone et le pompage de protons par le Complexe I.


  • Résumé

    The field of bioenergetics deals with the flow and transformation of energy within and between living organisms and their environment. The work presented in this thesis report focuses on cellular respiration and more specifically on the first enzyme of the respiratory chain, NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex I). This was done to clarify details about its function and its implication in disease. First, the creation of a sensor involving the biomimetically immobilized enzyme is presented and probed through a combination of surface enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) and electrochemistry. This sensor is then tested against different substrates and inhibitors. In a second part, the interaction of Complex I with lipids, inhibitors (Zn2+ and NADH-OH) and the role of a Tyrosine residue situated in the NADH binding pocket are investigated through electrochemically induced UV-Vis and FTIR difference spectroscopies. The results gathered through these experiments are then explored under a structural perspective and a coupling mechanism between quinone reduction and proton translocation by Complex I is proposed.


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