Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Langsamer geht's schneller: Wie die Signalübertragung in Zellen von trägen Enzymen profitiert

28.02.2012
Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Matthias Weiss, Universität Bayreuth, hat mittels Computersimulationen herausgefunden, wie enzymatische Reaktionen im Zellplasma durch anomale Diffusion gefördert werden. In den "Europhysics Letters" stellen die Wissenschaftler ihre Forschungsergebnisse vor.

Enzymatische Reaktionen sind von fundamentaler Bedeutung für lebende Zellen: Ein Enzym bindet an ein Protein, das dadurch eine chemische Veränderung erfährt und so in die Lage versetzt wird, eine für die Zelle lebenswichtige Funktion zu erfüllen. Oft ist das modifizierte Protein seinerseits ein Enzym, das nach seiner Veränderung weitere biochemische Reaktionen anstößt.

Ein prominentes Beispiel hierfür ist das Enzym MAP-Kinase (mitogen-activated protein kinase), das eine wichtige Funktion bei der Herstellung neuer Proteine innerhalb der Zelle hat. Es erfüllt diese Aufgabe nur, wenn es an zwei Stellen durch dasselbe Enzym verändert ("phosphoryliert") und dadurch aktiviert worden ist.

Aber nicht jedes Mal, wenn sich eine MAP-Kinase und ein aktivierendes Enzym im Zellplasma treffen, kommt es tatsächlich zu dieser doppelten enzymatischen Reaktion. In der Regel müssen die Partnermoleküle mehrere Anläufe unternehmen, bis die MAP-Kinase phosphoryliert ist. Erschwerend kommt hinzu, dass beide Molekülsorten nur in geringen Mengen im Zellplasma vorkommen. Wenn also die Partnermoleküle nach einem nicht erfolgreichen Versuch weit auseinanderdriften würden, könnte es sehr lange dauern, bis sich wieder eine Gelegenheit zur Phosphorylierung ergibt.

Wie kann die Zelle diese Abstände verkürzen und dafür sorgen, dass sich die MAP-Kinase und das aktivierende Enzym schnell wieder treffen? Wie ist gewährleistet, dass die Partnermoleküle auch nach mehreren missglückten Anläufen nahe beieinander bleiben, um einen weiteren Reaktionsversuch zu unternehmen? Diese Frage hat ein Forschungsteam um Prof. Dr. Matthias Weiss, Lehrstuhl für Experimentalphysik I an der Universität Bayreuth, jetzt durch Computersimulationen aufklären können.

Solange MAP-Kinase und aktivierendes Enzym auf Partnersuche sind, wandern sie ziellos im Zellplasma umher ("Diffusion"). Diese Diffusion verläuft, wie das Team von Prof. Weiss in den letzten Jahren experimentell zeigen konnte, meist anomal. Anomale Diffusion ist dadurch charakterisiert, dass – bildlich ausgedrückt – der Bewegungsdrang von Molekülen schnell erlahmt und sie lange Wege scheuen. Physikalisch gesprochen: Das Umfeld, in dem MAP-Kinase und aktivierendes Enzym zwecks Partnersuche unterwegs sind, wächst nicht proportional mit der Suchzeit an, sondern nur mit einer geringeren Potenz, z.B. mit der Quadratwurzel der Suchzeit. In den Bayreuther Experimenten wurde auch die Ursache dafür erkennbar. Weil sich im Zellplasma eine große Zahl von Makromolekülen auf engem Raum befindet, ist die Bewegungsfreiheit von Proteinen stark eingeschänkt.

Damit fördert die anomale Diffusion die Aktivierung der MAP-Kinase. Zwar dauert es zunächst relativ lange, bis sich zwei Partnermoleküle begegnen. Aber haben sie sich erst einmal gefunden, bleiben sie für lange Zeit in unmittelbarer Nähe zueinander – bis schließlich beide enzymatischen Reaktionen (Phosphorylierungen) erfolgt sind und die MAP-Kinase aktiviert ist. Die Computersimulationen zeigen dabei auch, dass die anomale Diffusion umso effizienter wirkt, je mehr aufeinanderfolgende Phosphorylierungen für die Aktivierung eines Enzyms nötig sind. Denn dann kommt es besonders auf ein schnelles Wiederfinden der Partner an.

"Die Aktivierung der MAP-Kinase ist nur ein Ausschnitt aus einer ganzen Kette von zellulären Prozessen, die in einer Kaskade aufeinanderfolgen", erklärt Prof. Dr. Matthias Weiss. So muss das Enyzm, das die MAP-Kinase aktivieren soll, seinerseits durch ein vorausgehendes Signal aktiviert werden. Auch hier – wie an vielen weiteren Stellen – kann die anomale Diffusion im Zellplasma ihre effizienzfördernde Wirkung entfalten. So kommt die anomale Diffusion letztlich der gesamten Kaskade von Prozessen zugute. Es ist paradoxerweise der Trägheit der Molekularbewegung zu verdanken, dass das Endsignal umso schneller im Zellkern ankommt.

Veröffentlichung:

Marcel Hellmann, Dieter W. Heermann and Matthias Weiss,
Enhancing phosphorylation cascades by anomalous diffusion,
in: EPL (Europhysics Letters), Vol. 97, Number 5
DOI: 10.1209/0295-5075/97/58004
Kontaktadresse für weitere Informationen:
Prof. Dr. Matthias Weiss
Lehrstuhl für Experimentalphysik I
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-2500 und -2501
E-Mail: matthias.weiss@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

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,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie