Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie die „biologische Zündkerze“ in biomolekularen Motoren funktioniert

04.08.2014

Heidelberger Forscher simulieren Vorgänge, durch die Bewegung in Muskeln ausgelöst wird

Mit Hochleistungsrechnern und quantenmechanischen Methoden haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg Vorgänge simuliert, die aufklären, wie die „biologische Zündkerze“ in den biomolekularen Motoren von Zellen funktioniert.

Im Mittelpunkt der Untersuchungen unter der Leitung von Dr. Stefan Fischer stand das sogenannte Motorprotein Myosin, das unter anderem für Muskelbewegungen verantwortlich ist. Die umfangreichen Simulationen der Heidelberger Forscher zeigen, wie dort die Energiefreisetzung ausgelöst wird, um den komplexen Motor in Gang zu bringen. Die Ergebnisse der am Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen durchgeführten Forschungsarbeiten wurden in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

Biomolekulare Motoren sind Eiweißmoleküle, die in Zellen für mechanische Bewegung verantwortlich sind. Als kleinste bekannte Motoren verwenden sie als Treibstoff das Molekül Adenosintriphosphat (ATP), das alle Lebewesen als Energiequelle für energieverbrauchende Prozesse nutzen. Um zu verstehen, wie diese Zellmotoren mit Hilfe des Moleküls ATP funktionieren, kann zum Vergleich der Automotor herangezogen werden, bei dem die Energie durch die Verbrennung von Benzin freigesetzt wird. Da Benzin sich nicht von selbst entzündet, muss Energie zugeführt werden, um die Verbrennungs-Reaktion auszulösen.

Dies geschieht mit Hilfe der Zündkerze. Erst durch die Zuführung der Hitze-Energie des Funkens kann die Energiebarriere der Benzin-Verbrennung überwunden werden, um die Energiefreisetzung in Gang zu bringen. Bezogen auf biomolekulare Motoren gibt es hier eine Reihe von Parallelen, wie Stefan Fischer betont. Bei ATP handelt es sich um ein stabiles Molekül, das seine Energie ebenfalls nicht spontan freisetzt. Obwohl es nicht wie Benzin verbrannt, sondern gespalten wird, muss auch in diesem Fall die Energiebarriere überwunden werden, um die als Hydrolyse bezeichnete Spaltung des ATP in Gang zu bringen.

Im Rahmen seiner Forschungsarbeiten hat sich das Team um Dr. Fischer mit der Frage beschäftigt, wie genau das Auslösen der Energiefreisetzung in biomolekularen Motoren funktioniert. „Wir wollten herausfinden, auf welche Weise die im ATP gespeicherte Energie gezielt und zeitgenau freigesetzt wird“, erläutert der Heidelberger Forscher, der am Interdisziplinären Zentrum für wissenschaftliches Rechnen (IWR) die Arbeitsgruppe Biologische Makromoleküle leitet.

Als Ausgangsbasis für die Untersuchung der „biologischen Zündkerze“ verwendeten die Wissenschaftler den biomolekularen Motor Myosin. Dabei handelt es sich um eine Familie von Motorproteinen, die mit Hilfe von ATP zum Beispiel Bewegungsvorgänge in Muskeln antreibt. Das ATP wird in einer Art „Tasche“ im Protein gebunden. Diese Tasche senkt die Energiebarriere für die ATP-Spaltung – dieser Vorgang der Absenkung wird als Katalyse bezeichnet – und sorgt so dafür, dass die gewünschte chemische Reaktion erfolgt und letztendlich Energie freigesetzt wird. Die „katalytische Tasche“ ist nach den Worten von Dr. Fischer das biologische Äquivalent zur Zündkerze des Verbrennungsmotors.

Die Existenz einer solchen „biologischen Zündkerze“ ist zwar seit mehr als 50 Jahren bekannt. Ihre Funktionsweise konnte die Forschung bisher jedoch nie vollständig aufklären, wie Stefan Fischer betont: „Die Reaktion findet in ungefähr einer Trillionstel Sekunde statt, so dass experimentelle Untersuchungsmethoden in diesem Fall an ihre Grenzen stoßen. Erst die computergestützten Methoden des Wissenschaftlichen Rechnens erlauben die Erforschung des genauen Ablaufes.“

Die Wissenschaftler mussten zunächst aus den fast 6.000 Atomen des Myosins diejenigen bestimmen, die für die Katalyse unerlässlich sind. In umfangreichen und mehrere Jahre dauernden Simulationen konnten die Forscher die Rolle von rund 200 relevanten Atomen bestimmen. Da sich während der Spaltung des ATP sowohl die Atome des Myosins als auch die des ATP bewegen müssen, ergeben sich unzählige Möglichkeiten an Bewegungen im dreidimensionalen Raum – wobei allerdings nur ein Weg zur niedrigsten Energiebarriere führt. „Wir mussten die Wege aller rund 200 beteiligten Atome in drei Dimensionen berechnen, insgesamt also ein Problem in 600 Dimensionen“, sagt Dr. Fischer.

Für ihre komplexen Berechnungen kombinierten die Wissenschaftler Methoden aus der Quantenmechanik mit dem Einsatz von Hochleistungsrechnern. Damit konnten sie aufklären, wie die Interaktionen zwischen ATP und dem Myosin organisiert sind, damit die Energiebarriere zur ATP-Spaltung gesenkt wird.

Nach den Worten von Stefan Fischer sind elektrostatische Ladungen auf den Atomen des Proteins um das ATP so aufgestellt, dass sie die Elektronendichte dieses Moleküls derart verändern, dass sich der Treibstoff ATP dann leichter spalten lässt. Der Heidelberger Wissenschaftler: „Wir konnten auf diese Weise genau quantifizieren, wie viel jedes in diesem Prozess relevante Atom des Myosins zur Verringerung der Energiebarriere beiträgt. Auf der Basis dieser Erkenntnisse ist es uns gelungen, die ,katalytische Strategie‘ des Proteins klar zu formulieren.“

Der von den IWR-Forschern beschriebene Mechanismus der „biologischen Zündkerze“ findet nicht nur in Zellmotoren statt, sondern kommt vermutlich auch in allen anderen Eiweißmolekülen, die ATP als Energiequelle benutzen, zur Anwendung, wie Dr. Fischer betont.

„Da ATP die grundlegende Energiewährung für Zellen ist, sind fast alle biochemischen Prozesse im Körper betroffen. In der praktischen Anwendung können unsere Erkenntnisse möglicherweise einen Beitrag dazu leisten, an neuen Medikamenten zur Therapie von Herzmuskelerkrankungen zu forschen. Vorstellbar sind aber auch Impulse für neue therapeutische Ansätze bei Erkrankungen, in denen die ATP-Spaltung ein Teil der Biochemie des pathologischen Systems ist.“

Originalpublikation:
Farooq Ahmad Kiani and Stefan Fischer: Catalytic Strategy Used By The Myosin Motor To Hydrolyze ATP. PNAS (published online 8 July 2014), doi:10.1073/pnas.1401862111

Informationen im Internet:
http://www.iwr.uni-heidelberg.de/groups/biocomp/fischer

Kontakt:
Dr. Stefan Fischer
Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen
Telefon (06221) 54-8858
stefan.fischer@iwr.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Berichte zu: ATP ATP-Spaltung Benzin Energie Energiebarriere Katalyse Motoren Myosin PNAS Treibstoff Zellen Zündkerze

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