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Wo kommen sie her – wo gehen sie hin? Für Proteine ist die Antwort relativ klar: Proteasen sind für den Abbau von Proteinen verantwortlich. Die Einzelbestandteile, Aminosäuren, werden recycelt.

Das Nobelpreisträgertreffen hat dieses Jahr den Schwerpunkt Chemie. Ich bin Biologie, und mein mangelndes Wissen wurde mir gestern Abend beim DFG-Dinner vor Augen geführt, als ich mich mit hochmotivierten Nachwuchswissenschaftlern aus China über deren Fachgebiete unterhielt. Es bereitet mir Mühe, die genauen Mechanismen der Katalyse an Oberflächen, die Vorteile eines zehn Nanosekunden Lasers oder die spezifischen Eigenschaften von porösen Nanopartikeln zu verstehen. Umso dankbarer bin ich, dass einige der Laureaten hier Vorträge halten, die sich mit mir zugänglichen Themen befassen; also eher biochemisch und am liebsten über Proteine.

Einer davon war von Robert Huber, Nobelpreisträger 1988. Es ging um molekulare Maschinen, die beim Proteinabbau in der Zelle beteiligt sind, und um deren Kontrolle. Letzteres ist ein häufig unterschätzter Aspekt: Wenn Proteasen (so heißen die Proteine, die mit dem Abbau anderer Proteine beschäftigt sind) nicht rigoros kontrolliert sind, bauen sie alles ab, was ihnen in der Zelle in den Weg kommt, und das kann verständlicherweise kein Organismus auf längere Zeit verkraften.

Robert Huber ist Strukturbiologe. Ihn interessiert also, wie Proteine und molekulare Maschinen tatsächlich aussehen. “Molekulare Maschinen” ist übrigens ein Sammelbegriff für Proteinkomplexe, die eine bestimmte Funktion in der Zelle ausführen. Beispiele wären die RNA Polymerase, das Ribosom, das Chaperonin, und eben Proteasen wie das Proteasom.

Der Vorteil von Hubers Fachrichtung für diesen Blogpost ist, dass es schöne Bilder zum zeigen gibt. Hier also erst mal weniger Text und mehr “Eye Candy”. Ich habe Robert Huber in einem Interview noch näher zur Strukturbiologie befragt. Das wird nachgereicht, wenn ich dazu komme die durchweg zu leise Aufnahme in Worte zu packen.

Huber hat sich auf vier molekulare Maschinen beschränkt:

  • Die Ringförmige Protease HslVU
  • Das 20S Proteasom
  • Eine hexamere Protease namens Tricorn
  • DegP, eine Protease mit einer sekundären Funktion.

Strukturbiologen hinterlegen ihre publizierten Strukturen in der Protein Data Bank. Diese ist frei zugänglich, und jeder kann nach dem Molekül seiner Wahl suchen. Wenn die Struktur aufgeklärt ist, findet man dort ein eben so schönes Modell. Die Links unter den Abbildungen führen jeweils zu den Proteinkomplexen in der Protein Data Bank. Dort kann man sich die Moleküle auch dreidimensional anschauen.

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HslVU besteht aus dem hexameren HslV mit Proteasefunktion und HslU mit der ATPasefunktion. HslVU kommt im Cytoplasma von Bakterien und Archäen vor. Das Bild zeigt HslV in der Seitenansicht, kristallisiert aus einem Archäon. HslV ist ähnlich zur beta-Untereinheit des 20S Proteasom aus höheren Eukaryoten.

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Das 20S Proteasom besteht aus 28 Einzelproteinen. Es sind vier Ringe mit je sieben unterschiedlichen alpha und beta Untereinheiten. Die eigentliche Proteaseaktivität findet im innern des Proteasoms statt.

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Tricorn ist eine hexamere Protease. Proteine werden vom 20S Proteasom in kurze Aminosäurestücke zerschnitten, diese werden von Tricorn weiter prozessiert. Das Protein, dem die Kristallstruktur hier zugrunde liegt stammt ebenfalls von einem Archäon.

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DegP kann Protease sein, also Proteine abbauen, oder als Chaperon fungieren, also fehlerhaften Proteinen beim erreichen der richtigen Sturktur helfen. Der Wechsel ist temperaturabhängig. DegP ist ebenfalls ein Hexamer, hier aus E. coli kristallisiert. Das aktive Zentrum liegt in der Mitte des Moleküls.

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Der multimere Zustand von DegP, hier ein 48-mer. Das Substratprotein OMP (outer membrane protein) kann komplett eingekapselt werden. Bei niedrigen Temperaturen besteht so die Möglichkeit, dass es sich zurückfaltet. DegP kommt auch as 12mer und 24mer vor.

Was mit den Einzelbestandteilen der Proteine, also den Aminosäuren passiert, ist im einleitenden Absatz des Blogposts angedeutet: Sie können wieder als Bausteine für neue Proteine verwendet werden, die am Ribosom gebildet werden. Wo kommen sie her – wo gehen sie hin? Es ist eigentlich ganz einfach.


 » Tobias Maier ist Biochemiker und forscht als Postdoc am CRG in Barcelona.
 » Er führt das Blog WeiterGen auf ScienceBlogs
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