Molekulare Membranbiologie

Molekulare Membranbiologie

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:

(i) 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.

(ii) 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.

(iii) 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.

(iv) 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.

Ziele der Abteilung und die angewandten Methoden

Die Abteilung will zum Verständnis von Membranproteinen beitragen und insbesondere aufklären, wie Membranproteine arbeiten und welche Strukturänderungen erst ihre Funktion ermöglichen. Ein solches Verständnis ist nur auf der Grundlage genau bekannter atomarer Strukturen notwendig. Solche genauen Strukturkenntnisse werden am besten mit Hilfe der Röntgenkristallographie gewonnen. Für ihre Anwendung werden jedoch wohlgeordnete Kristalle benötigt, deren Herstellung immer noch äußerst schwierig ist. Dennoch kann die Abteilung auf eine ganze Reihe von Erfolgen bei der Kristallisation von Membranproteinen und den nachfolgenden Strukturaufklärungen verweisen. Eine Liste wichtiger Membranproteinstrukturen, die in der Abteilung bestimmt worden sind, findet sich am Ende dieser Seite.

Sobald die Struktur eines Membranproteins aufgeklärt worden ist, bemühen wir uns sehr, ihre Wirkungsweise zu verstehen. Hierzu verwenden wir genetische Methoden, spezifische Markierungen und biophysikalische Techniken. Diese schließen gezielte Mutagenese, und die enzymatische und strukturelle Charakterisierung der entstehenden Varianten ein. Wir verwenden verschiedene spektroskopische Methoden, wie kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR), Fourier Transform Infrarot (FTIR) Spektroskopie und paramagnetische Elektronenresonanzspektroskopie (EPR), um an den Reaktionszyklus gekoppelte Strukturänderungen des Membranproteins nachzuweisen. Diese spektroskopischen Experimente werden hauptsächlich in Kollaboration mit unseren Kollegen von der Universität Frankfurt (NMR: Profs. Glaubitz, Doetsch und Schwalbe, EPR: Prof. Prisner, FTIR: Prof. Mäntele) und deren früheren Mitarbeitern durchgeführt. Bei elektrophysiologischen Untersuchungen greifen wir auf die Expertise unserer Kollegen der Abteilung Biophysikalische Chemie zurück. Wir messen elektrische Ströme und Spannungen, welche die Aktivität unserer Membranproteine begleiten, wenn diese in Lipiddoppelschichten inkorporiert sind.

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