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Göttingen Göttinger Forscher entdecken Proteinkomplex
Campus Göttingen Göttinger Forscher entdecken Proteinkomplex
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17:18 21.12.2012
„Zellkraftwerke“: Immunfluoreszenz-mikroskopische Aufnahme eines Mitochondrien-Netzwerks. Quelle: EF
Göttingen

Schon ein kleiner Störfall in den Mitochondrien macht krank. Jeder Defekt, der die Ausbildung eines reibungslosen Betriebsablaufs stört, führt zu schweren, häufig tödlichen Herz- und Nervenerkrankungen beim Menschen. Doch bisher fehlt in vielen Fällen das Wissen darüber, was genau die Ursache dafür ist. Grundlagenforscher konnten jetzt einen entscheidenden Schritt im komplizierten Betriebsablauf der zellulären Kraftwerke klären. Das Team um den Biochemiker Prof. Peter Rehling, Direktor der Abteilung Biochemie II, hat einen bisher nicht bekannten Proteinkomplex in der Membran der Mitochondrien identifiziert. Damit ist es jetzt zum ersten Mal möglich, Vorgänge zu verstehen, die für den Aufbau funktioneller Atmungskettenkomplexe in den Kraftwerken der Zellen bedeutsam sind.

„Es ist ein zentrales Anliegen unserer Arbeitsgruppe, die Prozesse zu verstehen, wie die Kraftwerke in unseren Zellen und besonders die Atmungskette zusammengebaut werden. Unser Ziel ist es, die Grundlagen für mitochondriale Erkrankungen untersuchen zu können“, so Rehling. Seine Forschergruppe „Mitochondrien-Biogenese und Assemblierung von Membranprotein-Komplexen“ arbeitet dabei eng mit dem Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen zusammen. In der aktuellen Publikation sind die Forscher intensiv der Frage nachgegangen, wie die Atmungskettenkomplexe zusammengesetzt werden. Dazu müssen Proteine, die in Mitochondrien hergestellt werden, und Proteine, die von außen importiert werden, zusammengebracht werden. Wie geschieht dies? Dieses Phänomen ist seit langem unverstanden.

Bekannt ist: Die Mitochondrien stammen in ihrer evolutionären Herkunft von Bakterien ab. Den Großteil ihrer genetischen Informationen haben sie im Laufe von Millionen Jahren an den Zellkern verloren. Die meisten Proteine, die in unseren Kraftwerken ihren Dienst tun, müssen daher in die Mitochondrien hinein transportiert werden. Aber Mitochondrien besitzen auch noch eigenes Erbmaterial. Sie sind in der Lage, einen sehr kleinen Satz von 13 essentiellen Proteinen selbst zu synthetisieren. Diese Proteine sind die Kernproteine der Atmungskettenkomplexe.

Wie nun genau passiert der notwendige Zusammenbau von eigenen und externen Proteinen in den Mitochondrien? Dies konnten Rehling und sein Forscherteam für den Komplex IV, einen von insgesamt vier Funktionsmodulen der At-mungskette, klären: Der neu-entdeckte Proteinkomplex „MITRAC“ erfüllt die zentra-le Funktion beim Zusammenbau des Komplexes IV der Atmungskette. Die Forscher konnten zeigen, dass an dieser Stelle importierte Proteine und Proteine, die in den Mitochondrien selbst gebildet werden, zusammengeführt werden. Gleichzeitig regulieren Proteinbestandteile des MITRAC-Komplexes die Neusynthese von Proteinen in den Mitochondrien. Dies schützt die Mitochondrien davor, mehr Proteine zu bilden als sie brauchen.

Als Bestandteile des MITRAC-Komplexes konnten sie zudem mehrere Proteine identifizieren, die ursächlich für schwere Erkrankungen des Menschen verantwortlich gemacht werden. Die Untersuchung der Arbeitsgruppe weist diesen Proteinen nun erstmalig eine klare Funktion in der Biogenese der Atmungskette zu – und zwar genau im Komplex IV. Die Ergebnisse der Forscher beantworten zentrale Fragen der Grundlagenforschung, die seit vielen Jahren unverstanden sind, und liefern damit wichtige neue Erkenntnisse für das Verständnis von schweren Erkrankungen des Herz- und Nervensystems. „In der Zukunft“, so Rehling, „werden wir nun weiter der Frage nachgehen, wie der Zusammenbau von kern- und mitochondrial kodierten Proteinen in einen funktionellen Atmungskettenkomplex IV reguliert wird.“

Mitochondrien: Die Energie-Kraftwerke der Zelle

In allen Zellen muss für Arbeit, die geleistet wird, mit einer allgemein-gültigen Energiewährung gezahlt werden: ATP, kurz für „Adenosintriphosphat“. Hergestellt wird dieser universelle Energieträger in den Kraftwerken der Zellen, den Mitochondrien. Die Energie aus der Nahrung wird in den Mitochondrien dazu benutzt, wie bei einer Batterie ein elektrochemisches Potential über einer Membran zu erzeugen. Dieses Spannungspotential treibt einen Proteinkomplex an, der das ATP für die Zelle herstellt. Zur Erzeugung des elektrochemischen Gradienten sind Multiproteinkomplexe in der inneren Membran der Mitochondrien zuständig. Sie transportieren Elektronen, die aus der Nahrung stammen und übertragen diese schließlich auf Sauerstoff. Bei diesem Prozess werden 95 Prozent des Sauerstoffs, den wir täglich einatmen, verbraucht. Daher werden die insgesamt vier Proteinkomplexe, die bei der ATP-Gewinnung beteiligt sind, als „Atmungskette“ bezeichnet.

jro/eb

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