Abteilung für Molekulare Membranbiologie

Abteilung für Molekulare Membranbiologie

Prof. Dr. Dr. Hartmut Michel, Direktor

Bitte beachten Sie, dass der Inhalt dieser Website der Abteilung in naher Zukunft überarbeitet wird.

Ziel der Abteilung ist es, die Funktion von Membranproteinen und deren Arbeitsweise, genau zu verstehen. Dabei wird von einer genau bekannten, atomaren Struktur ausgegangen. Dies wird im Folgenden näher erläutert.

Grundsätzliche Eigenschaften biologischer Membranen und die Aufgaben von Membranproteinen

Die Zellen aller Lebewesen sind von Membranen umgeben, Zellen höherer Organismen werden von Membranen weiter unterteilt. Biologische Membranen bestehen aus Lipiden und Proteinen. Die Lipide bilden eine Doppelschicht (“bilayer”) aus, in welche die Membranproteine inkorporiert sind.  Lipiddoppelschichten sind für Ionen, geladene und größere polare Verbindungen unpassierbar. Als Folge dieser Eigenschaft können über die Membran hinweg Ionengradienten und elektrische Spannungen („Membranpotentiale“) aufgebaut und aufrecht erhalten werden. Membranproteine sind notwendig, damit ausgewählte Substanzen die Membrane durchqueren oder durch diese transportiert werden können. Eine der wichtigsten Aufgaben von Membranproteinen ist es deshalb, die Passage und den Transport sicherzustellen. Zusätzlich müssen Zellen miteinander kommunizieren, Signale austauschen und Informationen über ihre Umgebung sammeln. Viele Membranproteine sind deshalb Sensoren oder Rezeptoren. In der Regel erfolgt die Wechselwirkung mit dem Signalmolekül (z.B. einem Protein- oder Peptidhormon, einem Neurotransmitter, einem Ion) an der Außenseite der Zellmembran und der Rezeptor leitet das Signal durch die Membran weiter.  Membranproteine sind auch die zentralen Komponenten der biologischen Energiewandlung.  In der Photosynthese und bei der Zellatmung stellt der Transport von Elektronen und/oder Protonen den primären Schritt der Energiewandlung dar. Die entstehenden Membranpotentiale und Ionengradienten können dann dazu genutzt werden, die Synthese von Adenosin-5’-Triphosphat (ATP), die Aufnahme von Nährstoffen, das Ausschleusen von Abfallprodukten und von extrazellulären Proteinen sowie das Drehen der bakteriellen Flagellenmotoren anzutreiben. Schließlich arbeitet eine Reihe von Membranproteinen als Enzyme, und zwar besonders dann, wenn die Substrate der Reaktion hydrophober Natur sind.

Zusammenfassend können die Aufgaben von Membranproteinen wie folgt klassifiziert werden:

  • Passage und Transport. Die Passage of polaren Substanzen und Ionen (“passiver Transport”) wird von Kanälen, Poren und Permeasen katalysiert. “Primär aktiver Transport” wird von ATP oder anderen energiereichen Substanzen angetrieben. Beim “sekundär aktiven Transport” wird der dem energetischen Gefälle folgende Fluss eines Ions (normalerweise eines Protons oder eines Natrium-Ions) an den Transport des Substrats gekoppelt.
  • Signalrezeption und Signalwandlung. Die wichtigsten Rezeptoren sind die G-Protein gekoppelten Rezeptoren. Die Bindung des Signalmoleküls an den Rezeptor führt zu einer Aktivierung der sogenannten trimeren G-Proteine. Diese starten dann eine intrazelluläre Signalkaskade.
  • Biologische Energiewandlung. Die wichtigsten Beispiele sind die Atmungsketten von Mitochondrien und Bakterien. Hier wird die Oxidation von Substraten an den Transfer elektrischer Ladungen über die mitochondriale oder bakterielle Membran gekoppelt.  Bei der Photosynthese wird in den Reaktionszentren  die Energie des absorbierten Sonnenlichtes zu einer Trennung elektrischer Ladungen und zum Transport des Elektrons über die Membran genutzt.
  • Enzyme, bevorzugt für hydrophobe Substrate und/oder Produkte.

Diese auf ihre Aufgaben bezogene Einteilung  von Membranproteinen ist nicht immer einzigartig, weil beispielsweise ein Rezeptor ein Kanalprotein sein kann, welches bei Wechselwirkung mit dem Signalmolekül den Kanal öffnet oder schließt.


Projects


Ausgewählte Publikationen

1.
Michel H.
Crystallization of Membrane Proteins.  
Trends Biochem. Sci. 8, 56-59 (1983).
2.
Deisenhofer, J., Epp, O., Miki, K., Huber, R. and Michel, H.  
Structure of the protein subunits in the photosynthetic reaction center of Rhodopseudomonas viridis at 3 Å resolution.  
Nature 318, 618-642 (1985).
3.
Iwata, S., Ostermeier, C., Ludwig, B. and Michel, H.  
Structure at 2.8 Å resolution of cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans.  
Nature 376, 660-669 (1995).
4.
Ostermeier, C., Harrenga, A., Ermler, U. and Michel, H.  
Structure at 2.7 Å resolution of the Paracoccus denitrificans two‑subunit cytochrome c oxidase complexed with an antibody Fv fragment.  
Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A. 94, 10547‑10553 (1997).
5.
Buschmann, S., Warkentin, E., Xie, H., Langer, J., Ermler, U. and Michel, H.  
The Structure of cbb3 Cytochrome Oxidase Provides Insights into Proton Pumping  
Science 329, 327-330 (2010).
6.
Safarian, S., Rajendran, C., Müller, H., Preu, J., Langer, J.D., Ovchinnikov, S., Hirose, T., Kusumoto, T., Sakamoto, J. and Michel, H.  
Structure of a bd oxidase indicates similar mechanisms for membraneintegrated oxygen reductases.  
Science 352, 583-586 (2016).
7.
Hunte, C., Screpanti, E., Venturi, M., Rimon, A., Padan, E. and Michel, H.  
Structure of a Na+/H+ antiporter and insights into mechanism of action and regulation by pH.  
Nature 435, 1197-1202 (2005).
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