LMU-Wissenschaftler haben die Struktur einer molekularen Maschine aufgeklärt: Die Enzyme ATPasen verrichten die Arbeit in den Zellen.
Zellen verfügen mit dem Zytoplasma und der umgebenden Zellmembran– trotz zahlreicher unterschiedlicher Zelltypen – fast alle über die gleiche Basisstruktur. Das Zytoplasma ist die Grundsubstanz im Zellinneren und enthält die so gennanten Zellorganellen, die jeweils kleine abgeschlossene Funktionseinheiten der Zelle darstellen. Jede Zellorganelle hat ihre zugewiesene Aufgabe – in Abstimmung mit den anderen Zellorganellen. Die größte Organelle ist übrigens der Zellkern, der das Steuerzentrum der Zelle und als Kommandozentrale zu sehen ist (siehe Grafik).
Die so genannten Peroxisomen sind Membran umhüllte Zellorganellen, die zahlreiche Stoffwechselprozesse der Zelle durchführen – etwa den Abbau von Fettsäuren und die Entgiftung von schädlichem Wasserstoffperoxid. Die im Peroxisom enthaltenen Enzyme werden in gefaltetem Zustand in die Organelle importiert. „Wie dieser Transport funktioniert, ist noch nicht vollständig geklärt. Bekannt ist, dass die dafür notwendige Arbeit von einer molekularen Maschine verrichtet wird, die aus zwei sogenannten ATPasen besteht“, sagt Dr. Petra Wendler vom Genzentrum der LMU. Wendlers Team konnte nun in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Ralf Erdmann (Ruhr-Universität Bochum) im Hefemodell die Struktur des Komplexes der beiden ATPasen aufklären und durch verschiedene molekulare „Schnappschüsse“ sogar Einblick in dessen Funktionsweise erhalten.
ATPasen sind Enzyme, die ATP – die Energiewährung der Zelle – aufspalten. Dabei wird Energie frei, die zum Beispiel für molekulare Transportprozesse genutzt werden kann. In den Peroxisomen ist ein Komplex der ATPasen Pex1 und Pex6 dafür zuständig, den Transport von Enzymen durch die peroxisomale Membran aufrechtzuerhalten. Defekte in einer der beiden ATPasen können zu einer stark verminderten Peroxisomenaktivität oder sogar zum Verlust der Organellen führen. Mutationen in Pex1 oder Pex6 sind beim Menschen die häufigste Ursache für das Zellweger-Syndrom, eine seltene aber schwerwiegende unheilbare Erbkrankheit.
„Der Komplex aus Pex1 und Pex6 setzt sich aus sechs Bausteinen zusammen. Wie die ATPasen genau angeordnet sind und wie sie zusammenarbeiten, war bisher allerdings unbekannt“, sagt Wendler. Mittels elektronenmikroskopischer Analysen zeigte Wendlers Team jetzt, dass Pex1 und Pex6 alternierend in einem Ring angeordnet sind, wobei ihre langen sogenannten N-terminalen Domänen asymmetrisch ausgerichtet werden. Insgesamt gleicht der Komplex zur Überraschung der Wissenschaftler von oben betrachtet einem Dreieck. „Eine vergleichbare Form wurde bei hexameren ATPasen-Ringen bisher noch nie beobachtet“, sagt Wendler. Zusätzlich gelangen den Wissenschaftlern verschiedene molekulare „Schnappschüsse“, die den Komplex in Aktion zeigen. „Dabei wird deutlich, dass der Komplex unter ATP-Verbrauch eine pumpende Bewegung durchführt, die nahelegt, dass Substrate durch die zentrale Pore in der Mitte des Komplexes gezogen werden“, erklärt Wendler. Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler die Dynamik des Komplexes in noch besserer Auflösung darstellen und interagierende Proteine untersuchen.
