News: Defekte Pumpe
Eine ausgeklügelte chemische Maschinerie versorgt unsere Zellen mit Energie. Ein wichtiges Bauteil dieser Maschinerie ist die Cytochrom-c-Oxidase, die Sauerstoff reduziert und dabei gleichzeitig Protonen durch die Membran schleust. Eine einzige Aminosäure scheint diese doppelte Arbeit zu vermitteln.
© Proceedings of the National Academy of Sciences (Ausschnitt)
Wer im Chemieunterricht aufgepasst hat, weiß: Wasserstoff und Sauerstoff im richtigen Verhältnis gemischt, gewürzt mit einem kleinen Funken, ergibt ein spektakuläres Schauspiel. Doch diese berühmte Knallgasreaktion, aus der schlichtes Wasser entsteht, läuft ständig in den Zellen unseres Körpers ab – nur eben nicht so laut.
Der Trick – den Ingenieure übrigens auch in Brennstoffzellen anwenden – besteht darin, die Reaktionspartner zunächst sauber zu trennen und die Energie nur häppchenweise abzuzapfen. Zuständig für die Energieerzeugung der Zelle sind die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, die von einer doppelten Membran umgeben sind. Während die äußere Membran mehr oder weniger nur die Hülle der Zellorganellen darstellt, finden die entscheidenden chemischen Prozesse an der inneren Mitochondrienmembran statt: Hier sitzt die Atmungskette, eine Gruppe von hintereinander geschalteten Enzymen, die Elektronen transportieren und dabei gleichzeitig Protonen, also Wasserstoffkerne, von innen nach außen pumpen. Das sich dadurch aufbauende Protonengefälle nutzt wiederum ein weiteres Enzym, die ATP-Synthase, die wie ein Wasserrad von den zurückströmenden Protonen angetrieben wird und dabei ATP herstellt, das universelle Energiemolekül der Zelle.
So weit der Wasserstoff. Wo kommt nun der Sauerstoff ins Spiel? Beim letzten Glied der Atmungskette, einem Enzym namens Cytochrom-c-Oxidase. Es übernimmt die Elektronen von seinem Vorläufer in der Kette, Cytochrom c, – oxidiert es also – und leitet die Elektronen auf molekularen Sauerstoff im Innern der Mitochondrien weiter. Der so reduzierte Sauerstoff schnappt sich sofort vier herrenlose Protonen und bildet mit ihnen zwei Moleküle Wasser. Die Knallgasreaktion ist damit vollständig abgelaufen.
Interessanterweise begnügt sich die Cytochrom-c-Oxidase nicht nur mit der Sauerstoffreduktion. Bei jedem Schritt, bei dem im Innern der Mitochondrien pro Sauerstoffmolekül vier Protonen verbraucht werden, pumpt sie gleichzeitig weitere vier Protonen von innen nach außen, sodass sich der Protonenmangel im Innern – von dem ja die ATP-Synthase zehrt – noch einmal verdoppelt.
Die Struktur der Cytochrom-c-Oxidase ist den Biochemikern wohl vertraut. Auch die Mechanismen, wie es die Elektronen von Cytochrom c übernimmt und auf Sauerstoff überträgt, kennen die Wissenschaftler bereits, aber wie es dabei gleichzeitig als Pumpe arbeitet, harrt noch der Enthüllung. Andreas Namslauer von der Universität Stockholm versuchte jetzt zusammen mit seinen Kollegen etwas Licht in das Dunkel zu bringen.
Wertvolle Dienste lieferte den Forschern dabei die im Boden beheimatete Mikrobe Rhodobacter sphaeroides. Bakterien haben zwar keine Mitochondrien, bei ihnen laufen jedoch grundsätzlich die gleichen Prozesse ab – nur eben an der Zellmembran. Und von diesem Keim gibt es eine Mutante, deren Cytochrom-c-Oxidase zwar ordnungsgemäß Sauerstoff reduziert, die Protonenpumparbeit jedoch verweigert.
Dabei ist nur ein einziger Baustein dieser mutierten Cytochrom-c-Oxidase verändert: Auf Position 139 der Untereinheit I – insgesamt gibt es 13 Untereinheiten – sitzt Asparaginsäure statt der vorgesehenen Aminosäure Asparagin.
Wie die Untersuchungen der Forscher nun ergaben, beeinflusst dieser Austausch das Enzym an einer anderen Stelle: Auf Position 286 – ebenfalls in der Untereinheit I – liegt Glutaminsäure, und genau hier scheint ein wichtiger Verzweigungspunkt für die Protonen zu liegen. Die Forscher vermuten, dass diese Aminosäure die aus dem Zellinnern stammenden Protonen zunächst quasi zwischenlagert und dann entweder zum Reaktionszentrum der Cytochrom-c-Oxidase weiterleitet oder sie nach außen pumpt.
Bei der Mutante klappt nun dieser Abzweig zur Pumpe nicht mehr. Die Zelle ist auf die alleinige Protonenförderleistung der anderen Atmungskettenproteine angewiesen, während die Cytochrom-c-Oxidase nur seine chemische Reduktionsarbeit erledigt – diese übrigens effektiver als sein nicht mutiertes Gegenstück: Da der Pumpweg versperrt bleibt, verläuft die Sauerstoffreduktion mit einer höheren Rate als normal. Damit kann die mutierte Cytochrom-c-Oxidase – zumindest teilweise – seine eingeschränkte Funktionsfähigkeit wieder etwas ausgleichen.
Der Trick – den Ingenieure übrigens auch in Brennstoffzellen anwenden – besteht darin, die Reaktionspartner zunächst sauber zu trennen und die Energie nur häppchenweise abzuzapfen. Zuständig für die Energieerzeugung der Zelle sind die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, die von einer doppelten Membran umgeben sind. Während die äußere Membran mehr oder weniger nur die Hülle der Zellorganellen darstellt, finden die entscheidenden chemischen Prozesse an der inneren Mitochondrienmembran statt: Hier sitzt die Atmungskette, eine Gruppe von hintereinander geschalteten Enzymen, die Elektronen transportieren und dabei gleichzeitig Protonen, also Wasserstoffkerne, von innen nach außen pumpen. Das sich dadurch aufbauende Protonengefälle nutzt wiederum ein weiteres Enzym, die ATP-Synthase, die wie ein Wasserrad von den zurückströmenden Protonen angetrieben wird und dabei ATP herstellt, das universelle Energiemolekül der Zelle.
So weit der Wasserstoff. Wo kommt nun der Sauerstoff ins Spiel? Beim letzten Glied der Atmungskette, einem Enzym namens Cytochrom-c-Oxidase. Es übernimmt die Elektronen von seinem Vorläufer in der Kette, Cytochrom c, – oxidiert es also – und leitet die Elektronen auf molekularen Sauerstoff im Innern der Mitochondrien weiter. Der so reduzierte Sauerstoff schnappt sich sofort vier herrenlose Protonen und bildet mit ihnen zwei Moleküle Wasser. Die Knallgasreaktion ist damit vollständig abgelaufen.
Interessanterweise begnügt sich die Cytochrom-c-Oxidase nicht nur mit der Sauerstoffreduktion. Bei jedem Schritt, bei dem im Innern der Mitochondrien pro Sauerstoffmolekül vier Protonen verbraucht werden, pumpt sie gleichzeitig weitere vier Protonen von innen nach außen, sodass sich der Protonenmangel im Innern – von dem ja die ATP-Synthase zehrt – noch einmal verdoppelt.
Die Struktur der Cytochrom-c-Oxidase ist den Biochemikern wohl vertraut. Auch die Mechanismen, wie es die Elektronen von Cytochrom c übernimmt und auf Sauerstoff überträgt, kennen die Wissenschaftler bereits, aber wie es dabei gleichzeitig als Pumpe arbeitet, harrt noch der Enthüllung. Andreas Namslauer von der Universität Stockholm versuchte jetzt zusammen mit seinen Kollegen etwas Licht in das Dunkel zu bringen.
Wertvolle Dienste lieferte den Forschern dabei die im Boden beheimatete Mikrobe Rhodobacter sphaeroides. Bakterien haben zwar keine Mitochondrien, bei ihnen laufen jedoch grundsätzlich die gleichen Prozesse ab – nur eben an der Zellmembran. Und von diesem Keim gibt es eine Mutante, deren Cytochrom-c-Oxidase zwar ordnungsgemäß Sauerstoff reduziert, die Protonenpumparbeit jedoch verweigert.
Dabei ist nur ein einziger Baustein dieser mutierten Cytochrom-c-Oxidase verändert: Auf Position 139 der Untereinheit I – insgesamt gibt es 13 Untereinheiten – sitzt Asparaginsäure statt der vorgesehenen Aminosäure Asparagin.
Wie die Untersuchungen der Forscher nun ergaben, beeinflusst dieser Austausch das Enzym an einer anderen Stelle: Auf Position 286 – ebenfalls in der Untereinheit I – liegt Glutaminsäure, und genau hier scheint ein wichtiger Verzweigungspunkt für die Protonen zu liegen. Die Forscher vermuten, dass diese Aminosäure die aus dem Zellinnern stammenden Protonen zunächst quasi zwischenlagert und dann entweder zum Reaktionszentrum der Cytochrom-c-Oxidase weiterleitet oder sie nach außen pumpt.
Bei der Mutante klappt nun dieser Abzweig zur Pumpe nicht mehr. Die Zelle ist auf die alleinige Protonenförderleistung der anderen Atmungskettenproteine angewiesen, während die Cytochrom-c-Oxidase nur seine chemische Reduktionsarbeit erledigt – diese übrigens effektiver als sein nicht mutiertes Gegenstück: Da der Pumpweg versperrt bleibt, verläuft die Sauerstoffreduktion mit einer höheren Rate als normal. Damit kann die mutierte Cytochrom-c-Oxidase – zumindest teilweise – seine eingeschränkte Funktionsfähigkeit wieder etwas ausgleichen.
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