16.12.2021 • Biophysik

Transferwege für Protonen beim zellulären Energiestoffwechsel

Struktur und Funktionsweise eines zentralen Biomoleküls der Atmungskette untersucht.

Alle Lebensprozesse erfordern eine ständige Versorgung mit Energie. In der Zelle wird diese Energie hauptsächlich über das chemisch aufgeladene Molekül ATP zur Verfügung gestellt. Erzeugt werden die ATP-Energie­pakete unter anderem in speziellen Organellen der Zelle, den Mitochondrien. Über die Atmungs­kette werden Wasser­stoff­ionen – also Protonen – von einer Seite der inneren Mito­chondrien-Membran auf die andere gepumpt, sodass ein chemisches Konzentrations­gefälle und eine elektrische Spannung entstehen. Entlang dieses elektro­chemischen Gradienten fließen die Protonen durch eine Art Turbine, die für die Zelle nutzbare Energie in Form von ATP erzeugt.

Abb.: Die L-förmige Struktur des mito­chon­drialen Komplex I bei einer...
Abb.: Die L-förmige Struktur des mito­chon­drialen Komplex I bei einer Auf­lösung von 2,1 Ång­ström, auf­ge­nom­men mit einem Kryo­elek­tronen­mikro­skop. (Bild: J. Vonck, MPI für Bio­physik)

Eine der Protonenpumpen im ersten Schritt des Prozesses ist ein großes, L-förmiges Biomolekül, der mito­chondriale Komplex I. Mit seinem waagerechten Arm ist das L in der Membran verankert. Am senkrechten Arm des L bindet er das Elektronen­träger­molekül NADH, das aus der Verstoff­wechselung beispiels­weise von Zucker stammt. Komplex I katalysiert die Übertragung von Elektronen von NADH auf Ubichinon und die in dieser Reaktion freiwerdende Energie wird zum Antrieb der Protonenpumpe genutzt.

Einem Forscherteam der Uni Frankfurt und des MPI für Biophysik in Frankfurt ist es jetzt gelungen, die 3D-Struktur von Komplex I mithilfe des hoch­auf­lösenden Bildgebungs­verfahren der Kryo­elektronen­mikroskopie exakt zu vermessen und abzuleiten, auf welchen Wegen die Protonen innerhalb des Komplex I transportiert werden. Hierbei spielen, so konnten die Wissen­schaftler zeigen, Wasser­moleküle in der Protein­struktur eine wichtige Rolle.

Die hochaufgelösten Struktur­daten ermöglichten umfangreiche Computer­simulationen durch Forscher der Uni Helsinki, die zeigten, wie sich die Pumpe während des Protonen­transports wahrscheinlich bewegt. Die Studie gibt neue Einblicke in die Funktions­weise einer molekularen Maschine der biologischen Energie­umwandlung. Dieses Wissen kann dazu beitragen, bestimmte mito­chondriale Krank­heiten besser zu verstehen.

GFU / RK

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