Mechanismus der molekularen Maschine Komplex I Dominoeffekt befeuert die Zellatmung

Die Funktionsweise einer Maschine zu verstehen, ist schon aufwändig, wenn man sie mit den bloßen Händen auseinander schrauben kann. Umso beeindruckender ist es, dass Forscher nun die Funktionsweise der molekularen Maschine „Komplex I“ entschlüsselt haben, die für die Energieversorgung der Zellen mitverantwortlich ist. Dies gelang durch direkte Beobachtungen der Mega-Moleküle mittels kryogener Elektronenmikroskopie.

Klosterneuburg/Österreich – Unser Körper braucht Energie – etwa für die Bewegung unserer Muskeln, das Aufrechterhalten unserer Kerntemperatur und das Versenden von Signalen im Gehirn. Ein wichtiger Bestandteil unserer Energieversorgung ist die extra große molekulare Maschine namens „Komplex I“. Zu verstehen, wie diese komplizierte Protonenpumpe die Energieversorgung in den Zellen in Gang bringt, ist für die Biologie von entscheidender Bedeutung. Aufgrund ihrer Rolle als Ausgangspunkt der Elektronentransportkette bei der Zellatmung wurde sie in den vergangenen Jahren eingehend untersucht.

In einer neuen Publikation in Nature beschreiben Prof. Leonid Sazanov und sein Team vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) den Mechanismus der Interaktion zwischen den verschiedenen Struktureinheiten von Komplex I: Um Energie für die Zelle zu gewinnen, beginnt hier der Elektronentransfer, und Protonen werden als Folge davon durch die Membran gepumpt, um der Zelle Energie zu liefern. „Wir haben jetzt eine detaillierte Erklärung für jeden Schritt des Mechanismus geliefert. Jede Protonenbewegung ist berücksichtigt. Das erklärt alle ungewöhnlichen Eigenschaften von Komplex I“, fasst Sazanov zusammen.

Der Weg der Protonen

In ihrer Publikation schlagen Sazanov und sein Team einen detaillierten und dennoch robusten Mechanismus vor, der einen „Dominoeffekt“ von Protonentransfers und elektrostatischen Wechselwirkungen umfasst. Eine Vorwärtswelle setzt die Pumpe in Gang – stellt sozusagen alle Dominosteine auf. Mit der Rückwärtswelle wird die Domino-Kette ausgelöst und es kommt zum Ausstoß aller gepumpten Protonen aus einer Untereinheit von Komplex I.

Bisher war man davon ausgegangen, dass mehrere Untereinheiten Protonen ausstoßen. In dieser Studie wurde jedoch beobachtet, dass die meisten Protonen entlang der Membran und nicht über die Membran wandern, und zwar von einer Untereinheit zur nächsten und schließlich aus dem Ende des Membranarms von Komplex I austreten.

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Ein universeller Mechanismus

Die Sazanov Gruppe konzipierte ihre Studie so, dass die Ergebnisse frühere Erkenntnisse verifizieren und universelle mechanistische Prinzipien in den meisten Lebewesen aufzeigen – von Bakterien bis zu Säugetieren und auch in anderen molekularen Maschinen, die dem Komplex I ähneln. Komplex I in Säugetieren ist ein Megamolekül mit einem Gewicht von etwa ein Megadalton (MDa), also über 500.000-mal so schwer wie ein Wassermolekül. Dieser Komplex I ist seinerseits als Superkomplexe angeordnet.

Aus der Struktur von Komplex I ist bekannt, dass die Megastruktur ihre Form ändern kann: Sie kann ihre Arme entweder öffnen oder sie fest schließen. Im Säugetiermodell fanden die ISTA-Forscher sowohl offene als auch geschlossene Konformationen und vermuten deswegen, dass Komplex I bei seiner Tätigkeit zwischen ihnen wechselt. Das warf viele Fragen auf, da unterschiedliche Konformationen bei anderen Arten nicht beobachtet wurden. Um alle Zweifel auszuräumen, beschloss die Gruppe, als nächstes das Bakterium E. coli zu verwenden, da es evolutionär weit von den Säugetieren entfernt ist. Dort ist Auch in E. coli stellten die Wissenschaftler sowohl offene als auch geschlossene Zustände fest, ähnlich wie bei Säugetieren. Einen entscheidenden Unterschied gab es aber doch: Der geschlossene Zustand wurde nur während der Katalyse beobachtet, was zeigt, dass es sich tatsächlich um ein katalytisches Zwischenprodukt handelt. „Damit ist bewiesen, dass sowohl der offene als auch der geschlossene Zustand Zwischenzustände bei der Aktivität von Komplex I sind“, erklärt Sazanov.

Dominoeffekt von Komplex I

„Es gibt Kernprotein-Untereinheiten, die von E. coli bis zu Säugetieren konserviert sind. Zuvor haben wir unseren vorläufigen Mechanismus im Säugetiersystem beschrieben, der aufgrund der vielen zusätzlichen Untereinheiten etwas kompliziert ist. Aber wir haben dasselbe in E. coli gesehen, was bedeutet, dass unser Mechanismus in allen Arten mit Komplex I universell ist“, führt der Forschungsgruppenleiter aus.

Diese Arbeit bestätigt nicht nur die Erkenntnisse aus einer früheren Publikation des Teams, sondern schlägt auch einen universellen „Dominoeffekt“-Mechanismus der Protonenverschiebung vor, der letztlich unsere Zellen für Wachstum, Funktionen und Fortpflanzung befeuert. „Es handelt sich um einen universellen Kopplungsmechanismus von Komplex I und verwandten Enzymen“, schreiben die Autoren in ihrer Aktuellen Publikation in Nature.

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Jahrzehnte Zeitersparnis dank Kryo-EM

Das hochmoderne kryogene Elektronenmikroskop am ISTA macht die neuen Erkenntnisse zu Komplex I möglich. Mit seiner Hilfe kann die Sazanov-Gruppe routinemäßig Beobachtungen mit einer Auflösung von bis zu 2 Ångström durchführen. Das reicht aus, um Wassermoleküle zu sehen und damit die Protonenübertragungswege zu identifizieren. Heute ist die Kryo-EM-Technologie ausgereift und schnell genug, um genügend Daten zu erhalten, um mechanistische Modelle von molekularen Maschinen zu entwickeln.

Sazanov hat sich seit Beginn seiner wissenschaftlichen Laufbahn für große molekulare Maschinen interessiert. Als er in den späten 90er Jahren mit seiner Arbeit begann, war die Struktur des L-förmigen Komplex I weitgehend unbekannt. In der Folge arbeitete er viele Jahre lang mit Röntgenkristallographie, um zunächst die Struktur des hydrophilen Arms und dann die des Membranarms zu enträtseln, dessen genaue Funktionsweise er nun aufgedeckt hat. Der Forscher merkt an, dass diese jüngste Arbeit auch mit Röntgenkristallographie hätte umgesetzt werden können, was aber wahrscheinlich 20-30 Jahre länger gedauert hätte. Dank Kryo-EM wird für jede Struktur nur etwa ein Monat benötigt.

Details zur Arbeit

Der Erstautor der Studie und Postdoc in der Sazanov Gruppe, Vladyslav Kravchuk, führte die meisten Beobachtungen mit dem Kryo-EM durch – eine Aufgabe, die etwa drei Jahre dauerte. Es wurden mehr als 20 verschiedene Datensätze gesammelt, die notwendig waren, um Komplex I in verschiedenen Zuständen bei seiner Tätigkeit zu beobachten, zusammen mit Mutagenese Experimenten, die die Gruppe durchführte. Jeder Datensatz besteht aus fast 5.000 Mikrofotografien, die in der Regel innerhalb von 24 Stunden aufgenommen wurden. Die Mikrofotografien jedes Datensatzes liefern dann etwa eine Million Einzelpartikelbilder, die ausgewählt und mithilfe eines Clusters von ISTA-Hochleistungscomputer analysiert wurden.

„Eine der größten Herausforderungen des Projekts war die sorgfältige Analyse der Kryo-EM-Daten, da Komplex I recht flexibel ist und verschiedene Konformationszustände annimmt. Nur durch die umfangreiche, sorgfältige und manchmal unkonventionelle Analyse gelang es uns, den oben erwähnten geschlossenen Zustand vollständig aufzuklären. Dies klärte viele Fragen und Debatten in diesem Bereich und wird weiterhin als Maßstab für die Kryo-EM-Datenanalyse von Komplex I und verwandten Molekülen dienen“, sagt Erstautor Kravchuk.

Originalpublikation: Kravchuk, V. et al.: A universal coupling mechanism of respiratory complex I. Nature; DOI: 10.1038/s41586-022-05199-7

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