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Wie eine Brücke aus Molekülen

Proteine sind die fleißigen Bienchen der Zelle. Sie erkennen Sequenzen, transportieren Nährstoffe sowie Informationen und entsorgen Müll. Sie stehen als Transporter oder Kanäle zur Verfügung, damit Moleküle Membranen durchqueren können. Dort müssen sie zuvor als Transmembranproteine eingebaut werden. Wie dieser komplexe Vorgang in den Membranen der Mitochondrien funktioniert, welche Proteinkomplexe dafür nötig sind und inwiefern die Lipidzusammensetzung dabei eine Rolle spielt, zeigen nun Privatdozent Dr. Thomas Becker und seine Kollegen vom Institut für Biochemie und Molekularbiologie der Universität Freiburg in ihren neuesten Arbeiten anhand von Hefezellen.

Transportwege in Membranen sind sein Spezialgebiet: Dr. Thomas Becker © Dr. Thomas Becker, Universität Freiburg

Der Einschluss eines Prokaryoten in eine eukaryotische Vorläuferzelle hat in der Evolution nach der Endosymbiontentheorie neben dem Chloroplast der Pflanzenzelle auch das Mitochondrium und so die ersten Eukaryoten hervorgebracht. Auffälligstes Indiz dafür sind die zwei Membranen, die das als Kraftwerk bezeichnete Mitochondrium noch immer umschließen und ihm durch ihre speziellen Strukturen fünf verschiedene Kompartimente verleihen: Die äußere Membran, den Intermembranraum, die innere Membran, die Einstülpungen der inneren Membran (Cristae) und den Raum innerhalb der inneren Membran (Matrix).

Beide Membranen sind aus einer Phospholipid-Doppelschicht mit integrierten Proteinen aufgebaut. Dennoch unterscheiden sie sich in ihren Eigenschaften. Während die innere Membran mit den eingelagerten Proteinen der Atmungskette und der ATP-Synthase der inneren Bakterienmembran ähnelt, ist die Zusammensetzung aus Phospholipiden und Proteinen der äußeren Membran eher vergleichbar mit einer typischen Membran höherer Organismen. Da die äußere Mitochondrienmembran die Kontaktfläche zum Cytosol darstellt, sind viele der hier lokalisierten Proteine wichtig für Signal- und Transportvorgänge in der Zelle.

Proteintransport durch TOM und SAM

Mikroskopische Darstellung zweier Hefezellen, in denen die Mitochondrien fluoreszent markiert sind. © Dr. Lukasz Opalinski

Bei genauer Betrachtung finden sich zwei Arten, wie verschiedene Proteine in der Membran verankert sein können. Solche Proteine, die im Inneren eine alpha-helicale Struktur aufweisen, sitzen mit diesem nach außen hydrophoben Bereich im ebenso wasserabweisenden Inneren der Membran. Die anderen haben eine sogenannte beta-Fassstruktur, allerdings ohne Deckel und Boden. „Sie erlauben durch diese Struktur einen Durchgang für kleine geladene Moleküle durch die Membran“, erklärt Dr. Thomas Becker vom Institut für Biochemie und Molekularbiologie der Universität Freiburg. Diese Kanalproteine, wie zum Beispiel Porine, sind wichtig für den Membrantransport und es gibt sie außer in der mitochondrialen Außenmembran nur noch in der Außenmembran von Chloroplasten und Bakterien.

Wie gelangen nun derartige Proteine in die äußere Membran? Synthetisiert werden sie allesamt in den cytosolischen Ribosomen, von wo aus sie als nicht fertig gefaltete Vorstufen mittels Chaperonen an die Mitochondrienoberfläche geleitet werden. In der äußeren Membran sitzt der Proteinkomplex TOM (Translokase of the Outer Membrane), der mit seinen Rezeptoren die Signalsequenz des zu importierenden Proteins erkennt und einen Tunnel durch die Membran bildet. „Die Proteine werden dann vom Cytosol zunächst in den Intermembranraum des Mitochondriums durch die Außenmembran hindurch transportiert, was erst mal überrascht, aber durchaus seinen Sinn hat“, schildert Becker den Ablauf, „denn diese Proteine werden von der Intermembranraumseite aus in die Außenmembran eingebaut. Dieser Mechanismus ist von den Bakterien bis hin zu den Mitochondrien zu finden.“

SAM ist für Faltung und Einbau zuständig

Verschiedene Transportwege alpha-helicaler oder beta-Fass-Proteine, die in die innere oder äußere Mitochondrienmembran eingebaut werden. © modifiziert nach Becker et al., 2008; Biochim Biophys Acta (1777, 557-563)

Und dann gibt es noch einen bedeutsamen Faktor. „Auf der Intermembranseite werden die Proteine schließlich auf einen zweiten Proteinkomplex transferiert, die Sortierungs- und Assemblierungsmaschinerie SAM, die den Einbau dieser Proteine in die Membran katalysiert.“

Das Becker-Team zeigte in Zusammenarbeit mit Freiburger Forschern um Prof. Dr. Nikolaus Pfanner, Privatdozent Dr. Nils Wiedemann, Prof. Dr. Carola Hunte und Prof. Dr. Bettina Warscheid in seiner jüngsten Veröffentlichung, dass die beiden Komplexe TOM und SAM in direktem Kontakt zueinander stehen und sehr eng zusammenarbeiten. „Man kann sich das wie eine Brücke aus Molekülen vorstellen, wobei es einige Stellen gibt, die nah beieinander liegen“, sagt Becker. TOM erkennt und transferiert das beta-Fassprotein, während SAM die schlussendliche Form fertigstellt und die Integration in die Membran vermittelt. Über die Brücke wird das Protein von der einen zur anderen Maschine hinübergereicht. „Bindet es an SAM, ist es auch schon partiell in der Membran drin“, sagt der Biochemiker. Beispiele für Beta-Fassproteine sind die zentralen porenbildenen Komponenten von TOM und SAM selbst.

Über den Transport und Einbau von alpha-helicalen Proteinen in die Außenmembran des Mitochondriums weiß man noch recht wenig. Becker vermutet, dass hierfür die zentrale TOM-Komponente nicht nötig ist, sondern eher eine Insertase, die das Protein dann lateral in die Membran entlässt. Doch muss hier noch weiter geforscht werden.

Membranmosaik beeinflusst Proteineinbau

Ein weiteres interessantes Detail der Proteinintegration förderten Becker und seine Kollegen in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Günther Daum von der Technischen Universität Graz erst kürzlich zutage. „Die meisten Arbeiten sind auf Proteinkomponenten fokussiert, die man für den Importweg braucht“, kommentiert Becker, „wir haben uns mal angeschaut, ob das Phosphatidylethanolamin (PE), das zweithäufigste Phospholipid in der mitochondrialen Außenmembran, eventuell auch eine Rolle spielt.“ Dafür analysierten Becker und sein Team Mutanten von Hefezellen mit reduziertem PE-Gehalt und fanden heraus, dass alpha-helicale Proteine in ihrer Integration nicht beeinträchtigt waren, zugleich jedoch die mit beta-Fassstruktur deutlich schlechter eingebaut werden konnten. Obwohl der TOM-Komplex selbst noch intakt war, entdeckten die Wissenschaftler eine verminderte Bindung des Komplexes zum Vorstufenprotein. „Das deutet darauf hin, dass der TOM-Komplex dieses Phospholipid braucht, um seine optimale Aktivität zu erlangen“, ahnt Becker, „möglich wäre, dass Phosphatidylethanolamin für eine gewisse Spannung in der Membran sorgt, weil es ihre Dynamik und gleichzeitig die Flexibilität steigert.“

Immer wieder neue Proteinkomponenten

Import und Einbau von Proteinen werden von Proteinmaschinen katalysiert, die aus mehreren einzelnen Proteinen bestehen. Im Becker-Labor arbeitet man mit sogenannten Affinitäts-Tags („Tag“ als Markierung, Etikett), um damit diese Proteinkomplexe aus den Mitochondrien zu isolieren. Dadurch lässt sich deren Zusammensetzung bestimmen und so auch bisher unbekannte Interaktionspartner identifizieren. Thomas Becker hat noch viele Fragen. Wie beispielsweise die alpha-helicalen Proteine in die Membran kommen oder wie viele Funktionen mitochondriale Chaperone ausführen können. „Geht man zehn Jahre zurück, da gab es den TOM- und zwei TIM-Komplexe (Translokase of the Inner Membrane), die anderen hatte man alle noch nicht gefunden“, sagt er, „die Entwicklung geht weiter und man wird in Zukunft vermutlich immer neue Proteinkomponenten finden.“

Weitere Infomationen:

Dr. Thomas Becker
Institut für Biochemie und Molekularbiologie
Universität Freiburg
Stefan-Meier-Str. 17
79110 Freiburg
Tel.: 0761/ 203-5243
Fax: 0761/ 203-5261
Email: thomas.becker(at)biochemie.uni-freiburg.de

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/wie-eine-bruecke-aus-molekuelen/