Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Wie die Eingangstore der Zellkraftwerke aufgebaut sind

nächste Meldung

Die molekulare Maschine TOM – kurz für „translocase of the outer membrane“ – bildet Kanäle durch die äußere Membran von Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle. Seit mehr als 30 Jahren versuchen Forschende herauszufinden, wie die einzelnen Proteine des TOM-Komplexes zusammengebaut sind.

Der TOM-Komplex bildet einen Kanal durch die äußere Membran der Mitochondrien und importiert Proteine vom Cytosol, der Zellflüssigkeit, in die Zellkraftwerke. Grafik: Nils Wiedemann

Dieses Rätsel ist nun gelöst: Ein internationales Forschungsteam mit den Freiburger Biochemikern Dr. Nils Wiedemann und Prof. Dr. Nikolaus Pfanner hat erstmals die molekulare Architektur der aktiven TOM-Kanäle entschlüsselt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Fehlfunktionen des Proteinimports in die Mitochondrien führen zu schweren neurologischen Erkrankungen. Solche so genannten Mitochondriopathien entstehen, wenn die Mitochondrien ihre Aufgabe als Zellkraftwerke nicht mehr ausreichend erfüllen und so die Nervenzellen ihre Funktion im menschlichen Körper nicht wahrnehmen können.

Mitochondrien sind abgeschlossene Bestandteile in den Zellen des menschlichen Körpers. In den Mitochondrien laufen die Reaktionen der Zellatmung ab: Sie setzen die in der Nahrung gespeicherte Energie so um, dass Zellen diese nutzen können. Die Zellkraftwerke benötigen mehr als 1.000 verschiedene Proteine, um ihre lebensnotwendige Aufgabe zu erfüllen.

Fast alle dieser Eiweiße müssen aus dem Zellwasser in die Mitochondrien transportiert werden. Diese Aufgabe übernimmt meist TOM. Den Forschenden war bereits bekannt, dass der TOM-Komplex aus verschiedenen Eiweißmolekülen aufgebaut ist, die fest in der Außenmembran verankert sind. Vier TOM-Proteine besitzen einen einfachen Membrananker, eines hat eine Fassstruktur.

Die Wissenschaftler haben nun einzelne Proteinmoleküle in Experimenten verknüpft und so die molekulare Architektur der aktiven TOM-Kanäle rekonstruiert. Im TOM-Komplex sind die Eiweißmoleküle auf eine völlig neue Weise angeordnet als in den bekannten Membrankanälen: Die TOM-Proteine mit Fassstruktur befinden sich zwischen einem Kern und einem äußeren Ring von Membranankerproteinen. Die Forschenden zeigten, dass die Proteine, die in die Mitochondrien transportiert werden sollen, durch die Fässer in die Zellkraftwerke gelangen.

Die Forscherinnen und Forscher vermuten, dass sich die besondere Struktur des TOM-Komplexes aus folgendem Grund gebildet hat: TOM-Proteine mit einfachem Membrananker sind als Pförtner oder Rezeptoren dafür zuständig, Proteine zu erkennen und auszuwählen, die in die Mitochondrien transportiert werden. Durch die Anlagerung dieser Rezeptoren rund um die Fassproteine verläuft die Eingangskontrolle an den mitochondrialen Eingangstoren genauer und effizienter, sodass die Mitochondrien ihre Aufgabe als Zellkraftwerke besser wahrnehmen können.

Wiedemann und Pfanner forschen am Institut für Biochemie und Molekularbiologie der Universität Freiburg und sind Mitglieder des Freiburger Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies und der Spemann Graduate School of Biology and Medicine der Albert-Ludwigs-Universität.

Originalpublikation:
Takuya Shiota, Kenichiro Imai, Jian Qiu, Victoria L. Hewitt, Khershing Tan, Hsin-Hui Shen, Noriyuki Sakiyama, Yoshinori Fukasawa, Sikander Hayat, Megumi Kamiya, Arne Elofsson, Kentaro Tomii, Paul Horton, Nils Wiedemann, Nikolaus Pfanner, Trevor Lithgow, Toshiya Endo (2015). Molecular architecture of the active mitochondrial protein gate. In: Science 349 (6255): 1544-1548. DOI: 10.1126/science.aac6428

Kontakt:
Dr. Nils Wiedemann
Institut für Biochemie und Molekularbiologie
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-5280
E-Mail: Nils.Wiedemann@biochemie.uni-freiburg.de

Weitere Informationen:

http://www.pr.uni-freiburg.de/pm/2015/pm.2015-09-28.133

Rudolf-Werner Dreier | idw - Informationsdienst Wissenschaft

nächste Meldung

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...