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13.09.07 ABC-Transporter

Struktur des ABC-Transporters für Vitamin B12 von E. coli

Dem Transportmechanismus auf der Spur

ABC-Transporter sind integrale Membranproteine, die für eine Vielzahl physiologisch wichtiger Prozesse verantwortlich sind. Obwohl bereits vier verschiedene Strukturen solcher Transporter gelöst worden sind, kannte man bisher jeweils nur einen Zustand derselben. Dem ABC-Transporter-Spezialisten Kaspar Locher, ETH-Professor am Institut für Molekularbiologie und Biophysik, und seinen Mitarbeitern ist es nun gelungen, die Struktur des ABC-Transporters für Vitamin B12, BtuCD, in einem weiteren, für den Transport wichtigen, Zwischenstadium zu bestimmen. Die neue Arbeit hilft dem besseren Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen dieser Transportproteine.

Christoph Meier, ETHZ

Abb. 1: Der Vitamin B12 Transporter-Komplex BtuCD-BtuF (in Frontansicht und um 90° gedreht). Das periplasmatische Bindeprotein BtuF (rot) ist an den Transporter „angedockt“ und liegt in einem substratfreien, geöffneten Zustand vor. Die Membrandomänen von BtuCD (blau und gelb) haben eine asymmetrische Anordnung und der Transportkanal ist zu beiden Seiten verschlossen. Die Nukleotidbinde-domänen (Grün und Violett) liefern die für den Transport notwendige Energie durch die Spaltung von ATP
Quelle: Rikki N. Hvorup

ABC-Transporter sind für den kontrollierten Stoffaustausch sowohl in als auch aus der Zelle verantwortlich und bilden eine der grössten Transportproteinfamilien. Ihnen allen liegt eine gemeinsame Architektur zugrunde, die in der Regel aus zwei Membrandomänen besteht, die einen Transportkanal bilden sowie aus zwei Nukleotidbindedomänen, welche die für den Transport notwendige Energie durch die Spaltung von ATP liefern. So auch im Fall des Vitamin B12 Transporters BtuCD, dessen Strukturaufklärung 2002 zum ersten Mal die genaue Anordnung der einzelnen Domänen veranschaulichte. Zum detaillierten Verständnis des Transportmechanismus bedarf es aber neben funktionellen Analysen vor allem mehrerer solcher hochauflösender Strukturen in verschiedenen Konformationen.

Den ETH-Forschern um Kaspar Locher ist es nach vierjähriger Forschungarbeit nun gelungen, den ABC Transporter BtuCD im Komplex mit dem Bindeprotein BtuF zu kritallisieren. „Wir hatten eigentlich viel früher mit der Aufklärung der Struktur gerechnet; Kristalle hatten wir schon seit zwei Jahren. Doch es traten verschiedene Probleme auf, beispielsweise mit der hohen Flexibilität des Bindeproteins. Es war ein langer, mühsamer Weg, aber es hat sich gelohnt“, blickt Studienerstautor Rikki Hvorup zurück.

Der Vergleich dieser neuen Struktur mit den bereits vorhandenen Strukturen von BtuCD und BtuF sowie dem homologen Transporter HI1470/71 hat nun neue Erkenntnisse in Bezug auf die konformationellen Änderungen während des Transportzyklus erbracht. So konnte erstmals gezeigt werden, dass BtuF in einem geöffneten, substratfreien Zustand vorliegt und dass die Öffnung nur erfolgt, wenn BtuF in Kontakt mit BtuCD ist. Im Membran durchspannenden Bereich von BtuCD stiessen die Forscher ausserdem auf eine unerwartete Konformation. Obwohl dieser Bereich aus zwei identischen Einheiten besteht, sind diese nicht symmetrisch angeordnet. Das führt dazu, dass der zentrale Transportkanal weder von Aussen noch Innen zugänglich ist.

Die Anordnung war so überraschend, dass die ETH-Wissenschaftler sie mit einer zweiten Methode überprüften, der paramagnetischen Elektronenresonanzspektroskopie. Dabei werden die Transportproteine in künstlichen Membranen, so genannten Liposomen, integriert, so dass sie sich in einem Umfeld befinden, dass mehr oder weniger der natürlichen Situation entspricht. „Für die EPR-Studien gingen wir extra eine Kollaboration mit dem EPR-Experten Eduardo Perozo an der Universität von Chicago ein“, erzählt Birke Annemarie Goetz, verantwortlich für die Durchführung der EPR-Messungen. Die neue Methode führte zu einer Bestätigung der aus der Röntgenkristallographie gewonnen Struktur.

Insgesamt kommen die Forscher zum Schluss, dass sie den BtuCD-Transporter in einer Situation beschrieben haben, nachdem ein Transport von Vitamin B12 stattgefunden hat. Den ganzen Prozess stellen sie sich aufgrund weiterer Daten folgendermassen vor: Die Bindung des „Transporttreibstoffes“ ATP auf der Innenseite führt zu einer Öffnung der Vitamin B12-Bindungsstelle und des Transportkanals zur Aussenseite der E. coli Zelle. Während der Spaltung von ATP wird das Substrat nach innen befördert. Dabei wird die Öffnung nach aussen geschlossen. Nach der Abgabe des Substrates ins Zytoplasma entsteht dann der jetzt neu beschriebene Zwischenzustand, bei dem der Transportkanal auf beiden Seiten verschlossen ist. Die in der Röntgenstruktur beobachtete, asymmetrische Anordnung der Membrandomänen, so folgern die Autoren, könnte ein Zeichen dafür sein, dass die beiden Membranhälften ihre Konformation beim Übergang vom Innen nach Aussen geöffneten Zustand nicht gleichzeitig verändern.

Quelle:

Dem Transportmechanismus auf der Spur (ETH Life)

Asymmetry in the Structure of the ABC Transporter–Binding Protein Complex BtuCD-BtuF
R. N. Hvorup, B. A. Goetz, M. Niederer, K. Hollenstein, E. Perozo, K. P. Locher, Science. 2007. DOI: 10.1126/science.1145950

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ABC-Transporter
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2007sep/abc-transporter.shtm)

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