Einen elementaren Vorgang des Energiestoffwechsels haben Frankfurter und Freiburger Wissenschaftler aufgeklärt: Sie haben die Struktur des größten Proteins der Atmungskette, des mitochondrialen Komplexes I, entschlüsselt und dabei Neues über seine Funktion gelernt. Darüber berichten sind in der angesehenen Fachzeitschrift Science.

FRANKFURT. Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen. Sie produzieren ATP, die Energie-Währung des Körpers. Der Antrieb für diesen Prozess ist ein elektrochemisches Membranpotential, das von einer Reihe von Protonenpumpen erzeugt wird. Diese komplexen makromolekularen Maschinen werden zusammen als Atmungskette bezeichnet. Die Struktur des größten Proteins der Atmungskette, des mitochondrialen Komplex I, haben Wissenschaftler des Frankfurter Exzellenzclusters "Makromolekulare Komplexe" in Zusammenarbeit mit der Universität Freiburg jetzt mithilfe der Röntgenstrukturanalyse aufgeklärt. Sie berichten darüber in der angesehenen Fachzeitschrift Science.

"Der mitochondriale Komplex I spielt bei der Gewinnung von zellulärer Energie eine Schlüsselrolle und wird darüber hinaus mit der Entstehung von Krankheiten wie Parkinson in Verbindung gebracht", erklärt Volker Zickermann, Privat-Dozent im Institut für Biochemie II der Goethe-Universität. Für das Funktionieren der Atmungskette müssen in allen Zellen unseres Körpers permanent ausreichende Mengen an Sauerstoff zur Verfügung stehen. Die bei der biologischen Oxidation freigesetzte Energie wird dazu verwendet, Protonen von einer Seite der inneren Mitochondrien-Membran auf die andere Seite zu transportieren. Der entstehende Protonengradient ist die eigentliche "Batterie" für die ATP-Synthese.

Was die Forscher überraschte: Vorangegangene Studien legten nahe, dass Redoxreaktion und Protonentransport im Komplex I räumlich voneinander getrennt ablaufen. Die Frankfurter Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe von Zickermann sowie die Arbeitsgruppen von Prof. Harald Schwalbe und Prof. Ulrich Brandt konnten nun aus der detaillierten Analyse der Struktur ableiten, wie die beiden Prozesse miteinander in Verbindung stehen. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zum Verständnis eines elementaren Vorgangs im Energiestoffwechsel.

Schon länger ist bekannt, dass Komplex I reversibel zwischen einer aktiven und einer inaktiven Form hin und her wechseln kann. Dies wird als ein Schutzmechanismus gegen die Bildung von schädlichen Sauerstoffradikalen interpretiert. Die Struktur gibt nun deutliche Hinweise darauf, wie sich diese beiden Formen voneinander unterscheiden und ineinander überführt werden können. "Die Forschungsergebnisse geben damit auch wichtige Hinweise zu den molekularen Grundlagen einer pathophysiologisch bedeutsamen Eigenschaft von Komplex I, die etwa für das Ausmaß einer Gewebeschädigung nach einem Herzinfarkt von Bedeutung ist", erläutert Zickermann.

Publikation:
Zickermann V, Wirth C, Nasiri H, Siegmund K, Schwalbe H, Hunte C, Brandt U (2015) Mechanistic insight from the crystal structure of mitochondrial complex I. Science 347:44-49. DOI 10.1126/science.1259859.

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 gegründet mit rein privaten Mitteln von freiheitlich orientierten Frankfurter Bürgerinnen und Bürgern fühlt sie sich als Bürgeruniversität bis heute dem Motto "Wissenschaft für die Gesellschaft" in Forschung und Lehre verpflichtet. Viele der Frauen und Männer der ersten Stunde waren jüdische Stifter. In den letzten 100 Jahren hat die Goethe-Universität Pionierleistungen erbracht auf den Feldern der Sozial-, Gesellschafts- und Wirtschaftswissenschaften, Chemie, Quantenphysik, Hirnforschung und Arbeitsrecht. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein einzigartiges Maß an Eigenständigkeit. Heute ist sie eine der zehn drittmittelstärksten und drei größten Universitäten Deutschlands mit drei Exzellenzclustern in Medizin, Lebenswissenschaften sowie Geisteswissenschaften."

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