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 Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht
18.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Pflanzen können drei Eltern haben
18.10.2017 | Universität Bremen

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: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mobilität 4.0: Konferenz an der Jacobs University

18.10.2017 | Veranstaltungen

Smart MES 2017: die Fertigung der Zukunft

18.10.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

18.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Biokunststoffe könnten auch in Traktoren die Richtung angeben

18.10.2017 | Messenachrichten

»ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern

18.10.2017 | Energie und Elektrotechnik