In der vorliegenden Dissertation wurden ATP-Synthasen, OxPhos-Komplexe und Superkomplexe in Mitochondrien von Säugetieren und der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii funktionell analysiert und die Chloroplasten-ATP-Synthase aus Spinat (Spinacia oleracea) strukturell charakterisiert. Für die Untersuchung der Komplexe der oxidativen Phosphorylierung (OxPhos-Komplexe) von Säugetieren wurden Mitochondrien aus Herzgewebe von Rind, Schwein, Wildschwein, Reh, Maus, Ratte (Wistar und Fischer) und aus Nierengewebe von Reh isoliert. Die Enzymkomplexe wurden mit dem milden Detergens Digitonin aus der Lipidmembran gelöst (solubilisiert) und mittels einer blau-nativen Gelelektrophorese (BN-PAGE) nach ihrer Größe aufgetrennt. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die enzymatische Aktivität und die dreidimensionale Struktur der Proteine ebenso wie Protein-Protein Wechselwirkungen erhalten bleiben. Eine Analyse der Atmungskettenkomplexe erfolgte durch In-Gel Aktivitätstests. Bei diesen Tests katalysiert der enzymatisch aktive Proteinkomplex die Bildung eines farbigen Präzipitats, dass auf der jeweiligen Gelbande detektiert werden kann. Bei den OxPhos-Komplexen aus isolierten Rinderherzmitochondrien war wie in vorherigen Arbeiten von Schäfer et al. zu beobachten, dass sich die Komplexe I, III2 und IV zu übergeordneten Strukturen, den sogenannten Superkomplexen (SC), zusammenlagern. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass auch bei Mitochondrien aus Schwein-, Wildschwein-, Reh-, Mäuse-, Rattenherz und Rehniere die Superkomplexe III2IV1, I1IV2, I1III2 (a), I1III2IV1 (b), I1III2IV2 (c) und I1III2IV3 (d) auftreten. Anhand der Intensität der Coomassie-gefärbten Banden und des gebildeten Präzipitats war zu erkennen, dass Komplex I hauptsächlich in Form von Superkomplexen gebunden ist und Komplex IV zu einem großen Teil als individueller Komplex vorliegt. Aus diesen In-Gel Aktivitätstests wurden mit der Software Delta 2D die relativen spezifischen Aktivitäten der Komplexe I und IV in dem BN-Gel ermittelt. Bei allen untersuchten Säugetierproben besaßen die Superkomplexe c und d für Komplex I die höchste spezifische Aktivität. Der Vergleich zwischen der spezifischen Aktivität des individuellen Komplexes I und dieser Superkomplexe zeigte, dass bei Rind, Schwein, Wildschwein und Reh die Aktivitäten im SC um den Faktor 2,3 gesteigert waren. Bei Maus und Ratte führte eine Assemblierung zu Superkomplexen bei I1III2IV2 (c) zu einer Zunahme der Aktivität um den Faktor 3,4 und bei I1III2IV3 (d) um den Faktor 3,6. Ein deutlicher Anstieg der Aktivität im Vergleich zum individuellen Komplex I war für Superkomplex c (Faktor 12,5) und Superkomplex d (Faktor 11,6) aus Rehniere zu beobachten. Bei den Komplex IV-Aktivitätstests besaß bei allen Säugetierproben der individuelle Komplex IV die mit Abstand niedrigste Aktivität. Die Superkomplexe b und c zeigten bei Rind, Schwein, Wildschwein, Reh und Ratte die höchste spezifische Aktivität, bei Maus traf dies nur auf Superkomplex b zu. Diese deutliche Steigerung der Aktivität stellte sich im Vergleich zu dem individuellen Komplex IV wie folgt dar: Bei Herzmitochondrien aus Rind, Schwein, Wildschwein, Reh und Maus für Superkomplex b eine Zunahme um den Faktor 8,3 und für Superkomplex c um den Faktor 8,0 (ohne Maus). Bei den Rattenherzmitochondrien ist I1III2IV1 (b) um den Faktor 11,6 und I1III2IV2 (c) um den Faktor 14,02 aktiver. Bei den Solubilisaten aus Rehniere zeigte sich ebenfalls eine Steigerung der Aktivität für Superkomplex b (Faktor 4,2) und Superkomplex c (Faktor 4,8). Mit Hilfe von Antikörpern gegen die Komplexe I, III, IV und V konnten in 1-D Western Blots von blau-nativen Gelen sowohl die individuellen Komplexe als auch höhere Assemblierungen nachgewiesen werden. In Übereinstimmung mit den Aktivitätstests bestätigte sich, dass Komplex I enthaltende Proteinbanden im Bereich der Superkomplexe deutlich stärkere Signale lieferten als der individuelle Komplex. Bei den Komplexen III2 und IV war dies nicht zu beobachten, die Signale für die individuellen Komplexe waren sehr stark ausgeprägt. Für Komplex V, die ATP-Synthase, konnten sowohl das Monomer und Dimer als auch höhere Oligomere bei allen Proben gefunden werden. Die Solubilisate aus Mäuse-, Schwein-, Wildschwein-, Rehherz und Rehniere wurden mit Hilfe von 2-D BN/SDS-PAGE gelelektrophoretisch aufgetrennt und die mitochondrialen Proteine durch "Peptide Mass Fingerprint" (an einem MALDI-TOF MS) identifiziert. Da für Rinderherzmitochondrien schon entsprechende Experimente von Kratochwil und Hunzinger et al. bzw. für Rattenherzmitochondrien von Reifschneider et al. durchgeführt worden sind, wurde bei diesen Proben auf eine weitere Analyse verzichtet. Ebenso wurden von Groebe et al. die mitochondrialen Proteine von Mensch und Podospora anserina mittels MALDI-MS untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnten abhängig vom Gewebe zwischen 29 und 36 mitochondriale Proteine identifiziert werden, hierbei handelte es sich bei ca. 80 % um Untereinheiten der Komplexe I, III, IV und V der oxidativen Phosphorylierung. Es war zu beobachten, dass ein Großteil der identifizierten Untereinheiten der OxPhos-Komplexe eine sehr ähnliche elektrophoretische Mobilität besitzen. Ebenso zeigte ein Vergleich mit den bei Rinder- und Rattenherz gefundenen Resultaten diese Übereinstimmungen. So konnten besonders bei der ATP-Synthase (Komplex V) der untersuchten Gewebe Untereinheiten für das Monomer, das Dimer und andere Oligomere gefunden werden. Mittels 2-D Western Blots wurden weitere Untereinheiten der OxPhos-Komplexe nachgewiesen. Für den Komplex II zeigte sich, dass dieser unter den gewählten Bedingungen (2-D BN/SDS-PAGE) nicht an der Bildung von Superkomplexen beteiligt ist und nur als individueller Komplex vorliegt. Für eine quantitative Analyse der identifizierten Proteinspots wurden 2-D Gele von den Säugetierproben mit dem Fluoreszenzfarbsoff Sypro® Ruby gefärbt. Die Auswertung der Gele erfolgte mit der Software Delta2D. Die Daten der Herzgewebe von Rind, Schwein, Wildschwein und Reh wurden miteinander verglichen. Die Gesamtproteinmenge für die Komplexe I, III und V lag bei diesen Proben in einem ähnlichen Bereich, es zeigten sich lediglich kleine Unterschiede bei den Verhältnissen zwischen dem individuellen Komplex und den Superkomplexen. Des Weiteren war zu beobachten, dass die ATP-Synthase in einem Bereich von 61 bis 74 %, abhängig vom Organismus, in monomerer Form vorliegt. Die größten Unterschiede waren bei der Gesamtproteinmenge von Komplex IV zu beobachten. Bei dem Vergleich zwischen Rinder-, Mäuse- und Rattenherz traten zwischen diesen unterschiedlichen Organismen teilweise deutliche Unterschiede für die OxPhos-Komplexe I und V auf. So konnte für Ratte nachgewiesen werden, dass im Gegensatz zu den anderen untersuchten Geweben die Proteinmengen für das Monomer V1 und das Dimer V2 der ATP-Synthase nahezu identisch sind. Bei Maus war zu erkennen, dass Komplex V zu mehr als 78 % in Form von V1 vorliegt. Ebenso war bei Maus zu beobachten, dass Komplex I hauptsächlich in Superkomplex a gebunden ist. Sowohl bei Rind und Ratte, als auch bei den zuvor untersuchten Geweben (Reh, Schwein, Wildschwein) war immer Superkomplex b favorisiert. Von den Dimeren und höheren Oligomeren von Komplex V ist bekannt, dass sie an der Gestaltung der Morphologie der Cristae beteiligt sind. Abgesehen davon steht bisher noch nicht fest, inwieweit die enzymatische Aktivität durch diese Oligomerisierung beeinflusst wird. Daher wurde für eine weitere Untersuchung der ATP-Synthase der In-Gel ATP-Hydrolyse-Aktivitätstest verwendet. Erste Versuche zeigten, dass die BN-PAGE ungeeignet war. Offensichtlich beeinträchtigte der Farbstoff Coomassie Brillant Blau die Zugänglichkeit des Substrats und auch die Detektion des gebildeten Präzipitats, daher wurde die mildere farblos-native Gelelektrophorese (CN-PAGE) für weitere Experimente ausgewählt. So konnte anhand dieser Aktivitätstests erstmals nachgewiesen werden, dass bis dato noch nicht untersuchte Säugetierproben (Reh-, Schwein-, Wildschweinherz) Oligomere der ATP-Synthase ausbilden, die eine Hydrolyse-Aktivität zeigen. Für die mitochondrialen Solubilisate aus Maus, Ratte und Rind wurden ähnliche Resultate gefunden. Im Gegensatz zu den in der Literatur gefundenen Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass die monomere Form die höchste Hydrolyse-Aktivität besitzt und mit steigendem Assemblierungsgrad die Aktivität abnimmt. In welchem Zusammenhang die Hydrolyse mit der Synthese von ATP durch Komplex V steht ist bisher noch nicht vollständig aufgeklärt. Davon ausgehend, dass eine Verringerung der Hydrolyse-Aktivität mit einer Zunahme der ATP-Synthese korreliert, würde die Syntheserate mit steigendem Assemblierungsgrad deutlich zunehmen. Dementsprechend könnte dadurch gezielt die enzymatische Aktivität der ATP-Synthase innerhalb einer Zelle gesteuert werden ohne die de novo Expression dieses Enzymkomplexes zu verändern. Untersuchungen von Meyer zu Tittingdorf et al. und Hema et al. haben gezeigt, dass äußere Stressfaktoren den metabolischen Zustand der Mitochondrien der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit sollte analysiert werden, welchen Einfluss unterschiedliche Temperaturen während der Wachstumsphase auf die Organisation und Funktion der OxPhos-Komplexe ausüben. Für die Kultivierung der Alge wurden zwei unterschiedliche Wachstumsbedingungen untersucht. Bei photomixotrophem Wachstum wird dem Kultivierungsmedium Acetat als Kohlenstoffquelle zugesetzt, bei photoautotrophem Wachstum muss Kohlenstoff aus der Luft, in Form von CO2, assimiliert werden. Für eine funktionelle Analyse der OxPhos-Komplexe I und IV wurden die oben beschriebenen In-Gel Aktivitätstests eingesetzt. Ähnlich wie auch bei den Mitochondrien in Säugetieren assemblieren die Komplexe I, III und IV in C. reinhardtii zu Superkomplexen, I1III2IV1 (S1) und I1III2IV2 (S2). Unter photomixotrophen Bedingungen zeigte sich, dass eine Erhöhung der Temperatur zu einer deutlichen Steigerung der Aktivität von Komplex I (1,6-fach) und IV (1,8-fach) in den Superkomplexen S1 und S2 führte. Für die individuellen Komplexe war dieser Effekt nicht zu beobachten. Ein ähnlicher Trend war unter photoautotrophem Wachstum für Komplex I zu erkennen. Demgegenüber führte bei Komplex IV eine erhöhte Temperatur zu einer kleinen Verringerung der spezifischen Aktivität der Superkomplexe. Durch einen Vergleich zwischen der Aktivität des individuellen Komplexes und der Superkomplexe S1 und S2 konnte erstmals auch für einen pflanzlichen Organismus gezeigt werden, dass eine Assemblierung zu Superkomplexen zu einer deutlichen Steigerung der enzymatischen Aktivität führt. Für Komplex I äußerte sich dies in einer 5-fachen und für Komplex IV in einer 10-fachen Zunahme der Aktivität. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation können wie folgt zusammengefasst werden: Sowohl in Mitochondrien aus Herzgewebe von Säugetieren als auch in den Mitochondrien von C. reinhardtii konnte eine Assemblierung der Komplexe I, III und IV der oxidativen Phosphorylierung zu Superkomplexen nachgewiesen werden. Bei allen untersuchten Organismen war bei den Superkomplexen eine deutliche Zunahme der enzymatischen Aktivität im Vergleich zum individuellen Komplex zu beobachten. Für die ATP-Synthase (Komplex V) konnte bei den Säugetierproben gezeigt werden, dass über den Grad der Oligomerisierung die Hydrolyse-Aktivität beeinflusst werden kann. In Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Prof. Dr. Grüber (NTU, Singapur) und Prof. Dr. Gordeliy (IBS Grenoble; ICS Jülich; MIPT Moskau) sollte mittels Röntgenkristallographie die Struktur der Chloroplasten-ATP-Synthase aufgeklärt werden. Es gibt Kristallstrukturbilder mit hoher Auflösung von dem hydrophilen F1-Teil und von einigen isolierten Untereinheiten des membranintegralen FO-Teils, jedoch ist es bisher noch nicht gelungen den vollständigen und intakten Enzymkomplex zu kristallisieren. Zunächst wurde von mir die Chloroplasten-ATP-Synthase aus Spinat (Spinacia oleracea) in größeren Mengen (100-200 mg) isoliert. Mittels BN-PAGE konnte nachgewiesen werden, dass das Enzym intakt war. Die Synthese-Aktivität der isolierten ATP-Synthase wurde nach Einbau in Liposomen und Applikation eines elektrochemischen Protonengradienten (∆Ψ+∆pH) in einem anschließenden Luciferin-Luciferase-ATP-Test ermittelt. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Grüber wurde von Dr. Asha Manikkoth Balakrishna die Kristallisation mittels Dampfdiffusionsverfahren durchgeführt. Die erhaltenen Kristalle wurden an einem Synchrotron (Swiss Light Soure) am Paul-Scherrer-Institut (Schweiz) analysierst. Es zeigte sich, dass bis auf den c14-Zylinder der ATP-Synthase alle anderen Untereinheiten während des Kristallisationsprozesses verloren gingen, die ermittelte Kristallstruktur besaß eine Auflösung von 4,50 Å. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gordeliy erfolgte die Kristallisation mittels kubischer Lipid-Phase. Obwohl auch hier von einer intakten ATP-Synthase ausgegangen worden ist, konnten unter diesen Bedingungen ebenfalls nur Kristalle des c14-Zylinders erhalten werden, allerdings erstmals mit einer Auflösung von 2,48 Å.