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04.11.06 Molekularen Postversand - Neuer Einblick in Synthese- und Sortiermaschine

Neue Details zum molekularen Postversand in der Zelle

Forschungsverbund unter Beteiligung des MPI für molekulare Genetik gelingt neuer Einblick in die Synthese- und Sortiermaschinerie für spezielle Proteine

Wissenschaftlern des Berliner Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik, der LMU München und der Universität Heidelberg ist es gelungen, mit bislang unerreicht hoher Auflösung neue Details des komplexen biologischen Prozesses der Proteinsortierung in der Zelle darzustellen. Mit Hilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie und Einzelpartikelanalyse konnten die Forscher erstmals im Detail sichtbar machen, wie Proteinketten beim Verlassen des Ribosoms von einem Signalerkennungsprotein erkannt werden. Dieser Vorgang läuft nach den Erkenntnissen der Wissenschaftler bei Bakterien und höheren Organismen nach dem gleichen Mechanismus ab.

Abb.1: Die Geburt eines neuen Proteins beobachtet mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie: Ein neues Protein schaut zunächst mit seiner Signalsequenz (grün) aus dem Austrittstunnel am Ribosom (blau) heraus. Sie wird vom Signalerkennungsprotein (SRP, rot) erkannt und gebunden. Die Bindung von SRP ist entscheidend für den weiteren Versand des neuen Proteins in der Zelle.
Quelle: Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik

Die Sortierung bestimmter Proteine in der Zelle und der Transport zu ihrem jeweiligen Bestimmungsort sind ein zentraler Schritt für die Funktion aller Organismen. Die Mehrzahl der Proteine wird bereits während ihrer Biosynthese ihrem späteren Einsatzort zugeordnet (kotranslationale Translokation). Dies geschieht mit Hilfe eines molekularen Komplexes, der aus einem Ribosom, also der Protein-Synthese-Maschine der Zelle, und einem Signalerkennungsprotein (engl. signal recognition particle, SRP) besteht.

Das Schlüsselelement für die Proteinsortierung ist jedoch eine Signalsequenz, welche sich am Anfang - Wissenschaftler sprechen vom N-terminalen Ende - des vom Ribosom gebildeten Proteins befindet und quasi als "Postleitzahl" in der Zelle fungiert. Das Signalerkennungsprotein (SRP) liest diese Sequenz, sobald sie am Anfang einer gerade neu gebildeten Proteinkette das Ribosom verlässt. Im nächsten Schritt bindet SRP an das Ribosom und leitet es unter Beteiligung weiterer Komponenten an das endoplasmatischen Reticulums (ER) weiter, wo die nächsten Schritte der Sortierung erfolgen.

Das Wissenschaftlerteam der LMU München, der Universität Heidelberg und des Berliner Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik, denen im Rahmen des Berliner UltraStrukturNetzwerk (USN) ein modernes Kryo-Elektronenmikroskop zur Verfügung steht, konnten nun in bislang unerreichter Qualität auf molekularer Ebene darstellen, wie die Signalsequenz durch SRP erkannt wird. Die Signalsequenz, die "Adresse" des Proteins, bindet an eine spezielle Bindungstasche des SRP, die sogenannte M-Domäne. Diese Bindung führt zu Umlagerungen / Strukturveränderungen im SRP selber, woduch die Überführung der Signalsequenz an den Translokon-Komplex eingeleitet werden.

Immerhin etwa 30% aller Proteine der höher entwickelten Lebewesen wie z.B. des Menschen werden mit diesem Mechanismus sortiert - vor allem sekretorische Proteine, beispielsweise Antikörper, und Membranproteine, die unter anderem als Empfängermoleküle für neuronale Botenstoffe oder andere Signalmoleküle dienen. Dieser Vorgang findet bei Bakterien und Säugetierzellen in vergleichbarer Weise statt. Seine Aufklärung ist ein wichtiger Baustein zum Verständnis, auf welche Weise sekretorische Proteine bzw. Membranproteinen nach ihrer Bildung in der Zelle weitergeleitet werden.

Quellen:

Following the signal sequence from ribosomal tunnel exit to signal recognition particle
M. Halic, M. Blau, T. Becker, T. Mielke, M. R. Pool, K. Wild, I. Sinning & R. Beckmann, Nature, 29. Oktober 2006, advanced online publication

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Molekularer Postversand in der Zelle
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2006nov/molekularer-postversand.shtm)

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