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10.02.2014

Nachweis molekularer Tunnel mittels Kryo-Elektronenmikroskopie


Zellmembranen stellen für Proteine ein fast unüberwindliches Hindernis dar - es sei denn, sie nutzen molekulare Tunnel in der Membran. Was während der Passage im Tunnel passiert, zeigen 3D-Bilder in bisher unerreicht hoher Auflösung.

Jede Zelle ist umgeben und durchzogen von Membranen. Fast ein Drittel aller Proteine, die in der Zelle gebildet werden, müssen entweder durch Membranen geschleust oder als Membranproteine in Zellmembranen eingebaut werden. Allerdings verhindert der Aufbau der Zellmembran, dass Proteine sie direkt durchdringen können. Deshalb gibt es in der Zellmembran molekulare Tunnel, sogenannte proteinleitende Kanäle. "Strukturelle Untersuchungen haben bereits einige Hinweise gegeben, wie Proteinen sowohl das Durchfädeln auf die andere Seite als auch das Einschleusen in die Membran ermöglicht wird", sagt Professor Roland Beckmann vom Genzentrum der LMU, "allerdings fehlte bisher der letzte Nachweis für diese Mechanismen".

Proteinleitende Kanäle werden durch eine Einschnürung in der Mitte in zwei trichterförmige Bereiche geteilt, deren Spitzen aufeinandertreffen. Der inaktive Kanal wird dort, wo die Spitzen der Trichter aufeinander treffen, durch eine Art molekularen "Stöpsel" verschlossen. Soll ein Protein den Kanal komplett passieren, könnte der Kanal von der Zellinnenseite bis zu Außenseite eine wässrige Umgebung erzeugen, auf der das Protein durch den Kanal rutscht. Die Integration in die Zellmembran wiederum könnte durch eine seitliche Öffnung im Inneren des Tunnels erfolgen.

Schnappschuss im Moment des Übertritts

"Bisher ist es allerdings nicht gelungen, diese Vorgänge mit der nötigen räumlichen und zeitlichen Auflösung darzustellen", sagt Beckmann, der mit seinem Team nun erstmals eindeutig definierte Zwischenzustände des aktiven Kanals isolieren und mittels Kryo-Elektronenmikroskopie dreidimensional darstellen konnte - und zwar mit einer Auflösung von weniger als einem Nanometer. "So konnten wir auch die räumliche Anordnung einzelner Proteinstränge des Kanals sichtbar machen und damit zum ersten Mal analysieren, wie sich der aktive Kanal bei der Arbeit verhält", erklärt Beckmann.

Dabei gelang den Wissenschaftlern ein "Schnappschuss" in genau dem Augenblick, in dem ein Protein den Kanal verlässt, um in die Zellmembran eingebaut zu werden: "Es öffnet sich tatsächlich ein seitliches Tor im Tunnel, sodass das Protein in die Membran diffundieren kann", sagt Beckmann. Interessanterweise bewegt sich der kleine molekulare Stöpsel in der Mitte des Kanals dabei mehr in die Mitte und verschließt die Passage durch den Kanal. So wird verhindert, dass der zentrale Kanal, in dem ja jetzt kein Protein mehr ist, zu viele Ionen durch die Membran leiten kann. Durchquert ein Protein die Membran allerdings vollständig, bewegt sich der molekulare Stopfen überraschenderweise kaum. Stattdessen weicht ein anderer Proteinstrang ein wenig nach außen, damit das Protein durch den Tunnel passt.

Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler eine noch bessere Auflösung ihrer Aufnahmen erreichen. "Unser Ziel ist eine Auflösung von weniger als 0,4 Nanometern, um die molekularen Details dieser Interaktionen und dynamischen Veränderungen des Kanals zu verstehen", sagt Beckmann. Außerdem wollen die Wissenschaftler komplexe Membranproteine - etwa bei Sehpigmenten - beobachten und analysieren, wie aus einer einfachen Aminosäurekette ein aktiver Membranrezeptor gebildet wird.

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Quelle: Universität München




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