Worldwide China

Strukturaufklärung per Kryo-EM

Baupläne der Zellmotoren entschlüsselt

| Redakteur: Christian Lüttmann

Kryo-EM Struktur der T. thermophilus V/A-type ATP Synthase. Der Hintergrund zeigt eine Rohversion des Kryo-EM Mikrobildes – einzelne ATPase Moleküle sind sichtbar.
Bildergalerie: 1 Bild
Kryo-EM Struktur der T. thermophilus V/A-type ATP Synthase. Der Hintergrund zeigt eine Rohversion des Kryo-EM Mikrobildes – einzelne ATPase Moleküle sind sichtbar. (Bild: IST Austria)

Molekulare Nanoturbinen stellen Energiepakete für die Zellen her. Die winzigen „Maschinen“ sind aus mehreren Proteinuntereinheiten zusammengebaut. Der genaue Bauplan war jedoch bisher nur von einigen Motor-Typen bekannt. Nun haben Forscher aus Österreich erstmals die atomare Struktur eines speziellen Vertreters dieser Enzyme mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie aufgeklärt.

Klosterneuburg/Österreich – Sie sind die Motoren der Zellen: ATP-Synthasen/ATPasen. Dabei handelt es sich um große Membranproteinkomplexe, die sich einen grundlegenden Bauplan teilen: In der Membran eingebettet liegt die rotierbare, kugelförmige Domäne 0, die über einen zentralen Stiel mit der aus der Membran ragenden Domäne 1 verbunden ist. Die 1er-Domäne ist zudem direkt an der Membran fixiert, sodass sie sich nicht mit der rotierenden Domäne 0 mitdreht – sie wirkt als Stator der molekularen Maschine. Die Gesamtarchitektur dieser einzigartigen molekularen Maschine ähnelt somit der einer Turbine oder einer Wassermühle, die in diesem Fall aber nicht von Wasser angetrieben wird, sondern i.d.R. von einem Protonengradienten, durch den Protonen von der einen zur anderen Seite der Membran drängen.

Die verschiedenen Motor-Typen

Obwohl der Grundbauplan gleich ist, unterscheidet man in der Familie der ATP-Synthase/ATPase-Proteine drei Typen:

  • Der F-Typ des Enzyms kommt in Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien vor.
  • Der V-Typ (vakuolar) tritt in intrazellulären Kompartimenten in Eukaryoten auf, also höheren Organismen mit Zellkern.
  • Der A-Typ ist in Prokaryoten (Archaea) und einigen Bakterien zu finden.

Enzyme vom F- und A-Typ werden normalerweise vom Protonenfluss durch die Membran angetrieben und erzeugen dabei biologisch verwertbare Energieeinheiten in Form von ATP-Molekülen. Die V-Enzyme arbeiten meist entgegengesetzt: Sie verbrauchen ATP, um Protonen entgegen des Konzentationsgradienten zu pumpen.

V- und A-ATPasen sind strukturell ähnlich, unterscheiden sich aber von dem mitochondrialen F-Typ durch zusätzliche periphere Stiele und Verbindungsuntereinheiten zwischen den Einheiten 1 und 0. Die V-Typ-Enzyme haben sich wahrscheinlich aus dem A-Typ entwickelt und werden aufgrund der Gemeinsamkeiten auch als V/A-ATPase bezeichnet.

Im Gegensatz zum F-Typ konnten bei V-Typ-ATPasen die Strukturen der V1- und V0-Domänen bisher nur getrennt voneinander bestimmt werden, nicht aber das gesamte Enzym. Daher war bisher unbekannt, wie V1 eigentlich an V0 gekoppelt ist – das Wissen über den vollständigen katalytischen Zyklus fehlte somit.

Die Struktur und Funktionsweise der F-ATP-Synthase ist bereits länger bekannt. Das Video von HarvardX veranschaulicht, wie das Motor-Protein die ATP-Moleküle herstellt:

Die Struktur des Motors – keine eindeutige Angelegenheit

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie haben Forscher am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) nun die Struktur des gesamten V-Typ-Enzyms ThV1V0 bestimmt, genauer gesagt: fünf Strukturen. Diese stellen mehrere Konformationen des Proteins dar, die sich durch die Position des Rotors im Inneren des Stators unterscheiden. Es zeigte sich, dass die verschiedenen Proteinkonformationen von ThV1V0 durch ein „Wackeln“ der Untereinheit V1 von einem Zustand in den anderen übergehen. Diese Plastizität entsteht durch den Wettbewerb mechanischer Eigenschaften zwischen dem gebogenen, zentralen Rotor gegen die Steifigkeit des Stators.

Indem die Forscher den Weg der Protonen durch die V-ATPasen verfolgten, zeigten sie signifikante Unterschiede zu den F-ATPasen. Dort sind die geladenen Proteinreste anders verteilt. So verhindert beim F-Typ z.B. ein strengerer „Checkpoint“ ein Verrutschen des Enzyms.

Ein Paddel sorgt für Struktur im Zellkraftwerk

Membranprotein unter der Lupe

Ein Paddel sorgt für Struktur im Zellkraftwerk

12.07.19 - Kraftwerke sind starre Gebäude aus Stahlbeton. Doch die Kraftwerke der Zellen – die Mitochondrien – sind flexibel und in stetem Wandel. Was deren Membran dennoch in Form hält, hat nun ein Team um Forscher des Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) herausgefunden. Ein Protein mit „Paddel“ spielt dabei eine wichtige Rolle. Die Forschungsergebnisse könnten auch für die Behandlung von optischer Atrophie wertvoll sein. lesen

Mehr Stiele für zusätzliche Flexibilität?

Bei F-Typ-Enzymen hält ein einziger periphärer Stiel die aus der Membran ragende Untereinheit am Stator fest. Dagegen haben A-Typ Enzyme, wie das am IST Austria untersuchte ThV1V0, zwei periphere Stiele – eukaryotische V-Typen sogar drei. Aber was ist der Vorteil der zusätzlichen Komplexität in dem ohnehin schon sehr großen Proteinmolekül, in dem auch noch zusätzliche Untereinheiten die Bereiche V1 und V0 verbinden?

Die F1/V1-Domäne weist eine dreifache Symmetrie auf, sodass mit jeder 120°-Drehung des Stators ein ATP-Molekül erzeugt (oder verbraucht) wird. „In V/A-ATPasen geschieht dies in einem einzelnen Schritt mittels einer Drehung um 120°. Im Gegensatz zur F-ATP-Synthase ist diese Drehung in mehrere Teilschritte unterteilt. Daher könnte in ThV1V0 eine höhere Plastizität erforderlich sein, um diese 120°-Drehungen in V1 durch kleinere Schritte zu ermöglichen“, erklärt Professor Leonid Sazanov, Leiter der Gruppe „Strukturbiologie von Membranproteinkomplexen“ am IST. „Diese zusätzliche Flexibilität kann bei V-Typen auch durch die zusätzlichen peripheren Stiele und Verbindungselemente erreicht werden. Durch die jetzige Entschlüsselung der Strukturen beginnen wir zu verstehen, wie dies tatsächlich erfolgt, und können daraus Schlüsse für die gesamte V-ATPase-Familie ziehen“, ergänzt der Forscher. Die Ergebnisse sollen dabei helfen, alle Evolutionsschritte dieser essentiellen molekularen Maschinen aufzuklären.

Originalpublikation: Zhou, L. and Sazanov, L.A.: Structure and Conformational Plasticity of the Intact Thermus thermophilus V/A-type ATPase, Science 23 Aug 2019: Vol. 365, Issue 6455; DOI: 10.1126/science.aaw9144

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.


copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 46095304 / Bio- & Pharmaanalytik)