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 Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa
27.02.2017 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

nachricht Neurobiologie - Vorausschauend teilen
27.02.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik