Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die kleinste Angelrute der Welt

01.07.2005


Wissenschaftlern gelingt tiefgreifender Einblick in die Schaltstation der Proteinsynthese-Maschinerie


Funktionelle Untereinheiten eines Ribosoms. Die kleine und große Untereinheit fügen sich zum Gesamtribosom zusammen. In einer zentralen Höhlung findet die Proteinsynthese statt. Hier kommen auch Translationsfaktoren zu liegen. Ein Modul zur Rekrutierung und Schaltung der Translationsfaktoren (blaue und rote Proteine) befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft. Die Köpfe der roten Molekülketten bilden Andock- und Schaltstellen für die Translationsfaktoren. Bild: MPI für biophysikalische Chemie



Ein Konsortium von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, einer Max-Planck Arbeitsgruppe am DESY in Hamburg, der Universität Witten-Herdecke und der Moskauer Lomonosov Universität hat die atomare Struktur eines wichtigen Regulationszentrums der Proteinsynthesemaschinerie in lebenden Zellen aufgeklärt und ist dem Verständnis seiner Funktionsweise damit einen entscheidenden Schritt näher gekommen. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Cell (1. Juli 2005) beschreiben die Wissenschaftler, mit welchen Strukturen das Ribosom nach den so genannten Translationsfaktoren "fischt" und diese molekularen Schalter betätigt.



Die überwiegende Zahl der biochemischen Vorgänge und Funktionen in lebenden Zellen, wie z.B. Katalyse von Reaktionen, Gerüstbildung, Kommunikation und Transport, werden von Proteinen unterhalten. Die Bauanleitungen für diese Proteine sind in der Erbinformation (DNS) einer jeden Zelle festgeschrieben. Sie werden abgerufen, indem zunächst Blaupausen der DNS in Form der Boten-Ribonukleinsäuren (RNS) angelegt und anschließend in eine Kette von Aminosäuren, die Proteinbausteine, übersetzt werden. Für diese Übersetzung ("Translation") ist das Ribosom zuständig.

Mit einem Durchmesser von ca. 25 Milliardstel Millimetern stellen bereits die einfachsten Ribosomen aus Bakterien auf molekularer Ebene riesige Aggregate dar. Sie bestehen aus über fünfzig Proteinkomponenten und drei langen RNS-Molekülen, die zu einer großen und einer kleinen ribosomalen Untereinheit zusammengesetzt sind (siehe Bild). In Aufbau und Funktionsweise ist ein Ribosom einer Miniatur-Maschinerie vergleichbar: Die Boten-RNS wird wie ein Fließband durch diese Maschine hindurchgeschleust. Dabei wird das fadenförmige Botenmolekül Schritt für Schritt abgetastet; zu jedem Nukleinsäuretriplett existiert ein passendes Adaptermolekül, eine Transport-RNS (t-RNS), die eine bestimmte Aminosäure transportiert. Die Aminosäuren werden nacheinander zu einer Kette zusammengefügt und ergeben schließlich ein neues Proteinmolekül.

Für jede Teilaufgabe, wie z.B. die Auswahl der passenden t-RNS, das Zusammenfügen der einzelnen Proteinbausteine oder das Entsorgen entladener t-RNS, ist ein spezielles Modul des Ribosoms zuständig. Um Fehler bei der Synthese der Proteine, von denen einige mehrere tausend Bausteine umfassen, weitestgehend zu vermeiden, müssen die einzelnen Module und ihre Arbeitsgänge genau aufeinander abgestimmt sein. Dazu bedient sich das Ribosom einer Reihe von Kontrollproteinen, so genannter Translationsfaktoren, die nur zu bestimmten Zeitpunkten an die zentrale Maschinerie andocken. Einige der Translationsfaktoren funktionieren dabei als molekulare Schalter. Sie tragen kleine, energiereiche Moleküle, die während eines Arbeitsganges chemisch gespalten werden. Diese Spaltung zieht eine Formveränderung der Faktoren nach sich, die vom Ribosom wahrgenommen wird und den Startschuss zur Einleitung des nächsten Arbeitsschrittes gibt. Das Einholen der Translationsfaktoren und das Umlegen der molekularen Schalter werden von einer speziellen Schaltzentrale am Ribosom koordiniert. Obwohl die Bestandteile dieser Schaltzentrale seit längerem bekannt waren, wusste man bisher wenig über die Art und Weise ihrer Funktion.

Um dieser Funktion auf die Schliche zu kommen, hat die Arbeitsgruppe von Markus Wahl vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie zunächst ein detailliertes, dreidimensionales Bild dieses Ribosomenbereiches erstellt. Sie züchteten Kristalle von Teilen des Schaltzentrums und untersuchten deren Streuung im Röntgenlicht. Aus den Streudaten konnten sie die atomare Struktur dieser Komponenten auf 0,2 Nanometer genau berechnen. Frank Schlünzen und Jörg Harms am DESY ermittelten über ähnliche Verfahren die Verankerung des Schaltzentrums an der großen ribosomalen Untereinheit. Wie in einem dreidimensionalen Puzzlespiel passten die Forscher dann alle Teilstrukturen in Hüllen des Ribosoms ein, die mithilfe der Elektronenmikroskopie im Arbeitskreis von Holger Stark bei etwa zehnfach niedrigerer Auflösung sichtbar gemacht wurden. "Von der großen ribosomalen Untereinheit in unmittelbarer Nähe der Stelle, an der die Translationsfaktoren zu liegen kommen, erstreckt sich ein langer, beweglicher Fortsatz", beschreibt Markus Wahl das Bild. "An diesem Fortsatz sind bis zu sechs flexible Molekülketten aufgehängt, jede mit einem kugelförmigen Kopf." (Abb. 1).

Im Einklang mit früheren Arbeiten, die darauf hindeuteten, dass die Köpfe die ersten Andockstellen für die Translationsfaktoren darstellten, ähnelte die Struktur einer molekularen Angelrute mit sechs Schnüren und je einem Köder, mit denen das Ribosom nach Translationfaktoren "fischen" konnte. Die Forscher vermuteten außerdem, dass die Köpfe auch an die Ribosom-gebundenen Faktoren heranreichen könnten, um deren Schalter umzulegen. Das Labor von Marina Rodnina in Witten testete diese Hypthesen durch gezielte Veränderungen an der "Angelrute": Zunächst wurden die "Köder" durch genetische Verfahren abgeschnitten. Wie erwartet waren die Angelschnüre ohne Köder erfolglos beim "Fischen" nach Faktoren. Auch die Schaltprozesse waren erwartungsgemäß etwa 1000-fach verlangsamt. Dann veränderten die Biochemiker gezielt Oberflächenbausteine der Köpfe, die mit den Translationsfaktoren in Berührung kommen konnten, und störten somit ihre Funktionsweise. "Unsere Ergebnisse zeigten, dass eine ganze Reihe solcher Bausteine gemeinsam für das Einholen der Faktoren und das Umlegen der Schalter verantwortlich sind", erklärt Marina Rodnina.

Da die Fähigkeit zur Proteinsynthese eine elementare Grundlage für alles Leben auf unserer Erde ist, kommen Ribosomen in allen Organismen, vom Bakterium bis zum Menschen, vor und ähneln sich in ihrem Aufbau. Die bakteriellen Ribosomen weisen jedoch Detailunterschiede zu den Ribosomen höherer Organismen auf. So verhindern z.B. einige Antibiotika die Proteinsynthese in Bakterien, aber nicht bei Menschen, Tieren oder Pflanzen. Auch die Schaltzentrale des Ribosoms weist Unterschiede zwischen Bakterien und höheren Organismen auf. Eine genauere Kenntnis der verschiedenen Translationsprozesse könnte daher eine Grundlage zur Neuentwicklung beispielsweise von Medikamenten gegen Infektionskrankheiten bieten.

Dr. Markus Wahl | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.gwdg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung
26.04.2017 | Universität Ulm

nachricht Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt
26.04.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie