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News: Ruckweise vorwärts

Wie Perlen auf einer Kette reihen sich in Proteinen mehrere Hundert oder Tausend Aminosäuren in einer bestimmten Reihenfolge aneinander. Damit es bei der Synthese nicht drunter und drüber geht, haben Zellen einen raffinierten Enzymkomplex für diese Aufgabe entwickelt - das Ribosom. Im Vergleich zu anderen Molekülen ist es recht groß, doch erst jetzt ist es Wissenschaftlern gelungen, mit einem modernen elektronenmikroskopischen Verfahren einzelne Arbeitsschritte des Vorgangs einzufrieren und aufzunehmen. Anscheinend klappert das Ribosom mit der kleineren seiner beiden Untereinheiten wie der gute alte Pacman mit seinem Unterkiefer. Allerdings frisst es keine Punkte, sondern schiebt die wachsende Proteinkette Stück für Stück aus dem Ribosom.
Wenn ein neues Protein in der Zelle synthetisiert wird, sind dafür bestimmte Organellen verantwortlich, die so genannten Ribosomen. Sie bestehen aus zwei verschieden großen Untereinheiten, die bei der Synthese zusammen mit der rRNA – der ribosomalen Ribonucleinsäure – einen großen molekularen Komplex bilden. Die kleinere Untereinheit bindet sowohl an die Boten-RNA (mRNA) als auch an die Transfer-RNA (tRNA), die eine spezifische Aminosäure trägt und so die Bausteine für das kettenförmige Proteinmolekül liefert. Nachdem ein neuer Baustein an die Eiweißkette angeheftet wurde, bindet der so genannte Elongationsfaktor G an das Ribosom. Dieser löst in Gegenwart des energiereichen Moleküls GTP eine Bewegung aus, die zum Weiterrücken der mRNA und tRNA um eine Einheit führt. Jetzt kann die kleine Untereinheit des Ribosoms den nächsten Abschnitt der mRNA lesen, woraufhin eine weitere Aminosäure angeheftet werden kann. Wie allerdings diese Bewegung genau abläuft, und ob sich die Untereinheiten relativ zueinander bewegen, war bisher unklar.

Joachim Frank vom Howard Huges Medical Institute und seine Mitarbeiter beobachteten nun, dass sich tatsächlich eine Untereinheit des Ribosoms relativ zu der anderen schnell dreht, wenn gerade die mRNA und ihre angeheftete tRNA um einen Leseschritt weiterrücken (Nature vom 20 Juli 2000). Sie benutzten dafür ein Kryo-Elektronenmikroskop, mit dem Forscher große Moleküle dreidimensional sichtbar machen können. Um die Ribosomen mit dieser Methode zu untersuchen, froren sie diese zunächst mit sehr kaltem, flüssigem Ethan blitzartig ein, nachdem sie die Organellen zuvor in einer wässrigen Lösung fein verteilt hatten. Das schnelle Einfrieren fixiert die Ribosomen im Eis und erhält dabei ihre natürliche Struktur. Mit einem Elektronenstrahl geringer Intensität erhielten die Forscher dann Bilder von Tausenden im Eis gefangener Ribosomen, ohne deren Moleküle dabei zu beschädigen. Mit ausgeklügelten, computergestützten Bildanalysen konnten sie anschließend eine genaue dreidimensionale Abbildung der Bewegungsabläufe von Ribosomen rekonstruieren.

Um die Ribosomen genau zu dem Zeitpunkt zu fixieren, wenn sie die mRNA und tRNA weiterbewegen, gaben die Wissenschaftler der wässrigen Lösung eine funktionslose Kopie des GTP-Moleküls und den Elongationsfaktor G bei, welche die Protein-Synthese genau bei diesem Schritt stoppten. "Indem wir diese Kopie benutzten, konnten wir den Vorgang festhalten, während dem der Elongationsfaktor an das Ribosom bindet, aber sonst nichts weiter passiert," erklärt Frank. "Das gesamte System wird so durch eine chemische Verbindung eingefroren." Die Analyse zeigte, dass sich die kleinere Einheit um sechs Grad relativ zur größeren Untereinheit dreht, wenn der Verlängerungsfaktor sich an das Ribosom anheftet. Nach der chemischen Reaktion mit GTP dreht sich die kleine Untereinheit anschließend wieder in die Ausgangsposition zurück. "Diese Drehung geht mit anderen Bewegungen einher", meint Frank. "Wenn man die Eingangsöffnung für die mRNA in das Ribosom betrachtet, scheint sich diese normalerweise zu weiten und zu verengen, wenn die Untereinheit sich vor und zurück bewegt. Dies ist exakt die erwartete Öffnung, wenn man bedenkt, dass in einem Fall die mRNA frei beweglich sein muss, während sie zum anderen Zeitpunkt gesichert und vor Bewegungen bewahrt werden soll".

Die Forscher wollen nun eine Technik entwickeln, mit der sie die ribosomalen Abläufe vor dem Einfrieren synchronisieren können. Sie wollen damit erreichen, dass alle Ribosomen an genau demselben Punkt in der Protein-Synthese festgehalten werden. Die Synchronisation würde den Forschern ermöglichen, die Masse von Ribosomen zu jedem Zeitpunkt der Reaktion zu bestimmen. Damit könnten die Wissenschaftler mehr darüber erfahren, wie die Ribosomen dazu beitragen, Proteine aufzubauen.

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