Forschung

Unser Forschungsgebiet ist der Atmungskettenkomplex I aus Mitochondrien und Bakterien. Dieses Enzym (systematischer Name: NADH:Ubichinon Oxidoreduktase, E.C. 1.6.5.3) ist der erste Komplex der Zellatmung (Atmungskette). Es übernimmt Elektronen vom wasserlöslichen Elektronencarrier NADH und überträgt sie auf Ubichinon, eine hydrophobe Verbindung, die frei in der inneren Mitochondrienmembran diffundieren kann. Von dort gelangen Elektronen auf die übrigen Komplexe der Atmungskette. Die freiwerdende Energie benutzt das Enzym, um Wasserstoffionen von der Innenseite der Membran auf die Außenseite zu schaffen. Die Energie ist als elektrochemisches Membranpotential für andere Enzyme, z.B. die ATP-Synthase oder auch Transportproteine, verfügbar. ATP, die "universelle Energiewährung der Zelle", wird so synthetisiert.

Der Atmungskettenkomplex I kommt in den Membranen von Mitochondrien der meisten Eukaryonten sowie in vielen Bakterien vor. In Archaebakterien wurde er bislang nicht gefunden. Der Komplex besteht aus verschiedenen Modulen, die mit einigen Transportproteinen (z.B. einem K+/H+-Antiporter), Hydrogenasen (NiFe-Hydrogenase) und Diaphorasen verwandt sind. Die Mindestzahl an Untereinheiten für ein funktionsfähiges Enzym beträgt 14 (in Bakterien), in höheren Organismen (z.B. Rind) sind es jedoch bis zu 46 Untereinheiten. Die Gesamtmasse des Enzyms beträgt je nach Organismus 500-1000 kDa. Damit gehört der Komplex zu den größten Enzymen überhaupt. Er enthält als Cofaktoren ein Flavin-Mononukleotidsowie eine Reihe von Eisen-Schwefel-Clustern. Weitere Cofaktoren werden vermutet, sind aber bislang noch nicht gefunden worden. Durch Elektronenmikroskopie konnte ein grobes Bild des Enzyms (Auflösung ca. 30 Å) erhalten werden. Der Komplex ähnelt dem Buchstaben "L". Ein Arm des "L" ragt in das Innere der Mitochondrien bzw. Bakterien, der andere Arm liegt in der Membran. Weitere Informationen über das Enzym erhält man auf der Komplex-I-Homepage.

Weitere Informationen zur Phylogenese von Komplex I finden sich hier. (Auf Englisch)

Glossar

Archaebakterien

Archaebakterien bilden den dritten Ast im System der Lebewesen (neben Bakterien und Eukaryonten). Wie die Bakterien haben sie keine Zellorganellen. Einige Stoffwechselwege sowie die Organisation des Genoms sind hingegen ähnlich wie in den Eukaryonten. Viele Archaebakterien leben unter extremen Bedingungen (80-100°C oder extremer Druck, z.B. 200 bar am Meeresboden). Archaebakterien zählen zu den Prokaryonten.

Atmungskette

Die Atmungskette ist der letzte Schritt im abbauenden Stoffwechsel (Katabolismus) aller aeroben Lebewesen. Die in der Glykolyse und im Citratzyklus erzeugten Reduktionsäquivalente (hauptsächlich als NADH) dienen zur Reduktion von Sauerstoff, wobei Wasser entsteht. Die Energie dieser Reaktion wird in Form eines elektrochemischen Membranpotentials gespeichert. Dieses treibt eine Reihe von Zellvorgängen, z.B. die Geißelbewegung in Bakterien, den Transport von Substanzen über eine Membran sowie die Synthese von ATP.

ATP-Synthase

Die ATP-Synthase synthetisiert ATP, die universelle "Energiewährung" der Zelle. Sie verbindet ADP mit anorganischem Phosphat unter Wasserabspaltung, d.h., sie bildet ein Anhydrid. Die dazu notwendige Energie wird durch den Rückstrom von Wasserstoffionen bereitgestellt, die durch die Atmungskettenkomplexe nach außen gepumpt wurden. Das Enzym wird dadurch, ähnlich wie ein Elektromotor, in eine Drehbewegung versetzt. Die Drehbewegung wurde kürzlich von einer japanischen Arbeitsgruppe direkt auf der Ebene einzelner Moleküle nachgewiesen.

Bakterien

Bakterien sind einzellige Mikroorganismen, die sich von Eukaryonten durch das Fehlen von zellinternen Organellen unterscheiden. Da sie keinen Zellkern haben, rechnet man sie zu den Prokaryonten. Sie enthalten ein einzelnes Chromosom und das Cytoplasma, das von einer Membran umgeben wird. Außerdem besitzen sie eine Zellwand.

Diaphorase

Als Diaphorasen bezeichnet man eine Reihe von Enzymen, die NADH oxidieren oder NAD+ reduzieren.

E.C.

E.C. steht für "Enzyme Classification", ein System zur Bezeichnung von Enzymen nach ihrer Funktion. Die Nummern sind hier erläutert.

Eisen-Schwefel-Cluster

Eisen-Schwefel-Cluster sind Cofaktoren aus Eisen- und Schwefel-Atomen, die über Aminosäuren wie Cystein oder Histidin an ein Protein gebunden sind. Man bezeichnet sie nach der Anzahl der Eisen- und Schwefelatome als [2Fe2S], [3Fe4S] oder [4Fe4S] Cluster. Sie sind am Elektronentransport, der Katalyse, Strukturstabilisierung und der Regulation des Stoffwechsels beteiligt.

Beispiel für ein Eisen-Schwefel-Cluster:

Elektrochemisches Membranpotential

Das elektrochemische Membranpotential besteht aus zwei Komponenten, einer elektrischen Komponente, die daher rührt, daß Ladungsträger (positive und negative) ungleich auf den beiden Seiten einer Membran verteilt sind, sowie einer chemischen Komponente, die durch die Ungleichverteilung chemischer Verbindungen oder Ionen erzeugt wird. Diese haben das Bestreben, sich auf beiden Seiten der Membran gleich zu verteilen, werden aber durch die Membran daran gehindert. Das elektrochemische Membranpotential ist wird zum Transport von Substanzen über eine Membran, zur ATP-Synthese oder zur Geißelrotation benutzt.
Das elektrochemische Membranpotential wird durch folgende Formel beschrieben:

Eukaryont

Eukaryonten besitzen einen Zellkern und zellinterne Organellen, z.B. Vesikel, das endoplasmatische Retikulum, den Golgi-Apparat. Außerdem besitzen sie Mitochondrien, die als "Kraftwerk der Zelle" den Hauptteil der Energie aus dem Stoffwechsel zur Verfügung stellen. Zu den Eukaryonten gehören Einzeller (Hefen, Protisten), Pilze, höhere Pflanzen sowie Tiere.

Flavin-Mononukleotid

Das Flavin-Mononukleotid ist ein Cofaktor, der aus einem Flavin-System, einem Riboseteil und einem Phosphatteil besteht. Er kann oxidiert als FMN oder reduziert als FMNH2 vorliegen.

Hydrogenase

Hydrogenasen sind Enzyme, die Wasserstoffionen zu molekularem Wasserstoff reduzieren können. Sie kommen bei anaeroben Lebewesen vor, z.B. bei Bakterien, die im Verdauungstrakt von Wiederkäuern leben.

Mitochondrien

Mitochondrien (Einzahl: Mitochondrium) sind die "Kraftwerke der Zelle". Sie kommen nur in Eukaryonten vor. Der Citratzyklus, die Reaktionen der Atmungskette sowie eine Reihe weiterer Stoffwechselreaktionen finden in den Mitochondrien statt. Sie besitzen zwei Hüllmembranen und ein eigenes ringförmiges Genom, so daß man annimmt, daß es sich um ehemalige Bakterien handelt, die im Laufe der Evolution von anderen Zellen aufgenommen wurden. Das Innere der Mitochondrien bezeichnet man als Matrix, den Raum zwischen den beiden Membranen als Intermembranraum. Das mitochondriale Genom wird selbsttätig vermehrt und die darin enthaltene Information zur Synthese von Proteinen genutzt.

Prokaryont

Zu den Prokaryonten rechnet man alle Arten, die keinen eigenen Zellkern besitzen. Von den drei Reichen im Stammbaum des Lebens (Bakterien, Archaebakterien und Eukaryonten) gehören die Bakterien und die Archaebakterien zu den Prokaryonten.

Transportproteine

Transportproteine katalysieren den Transport chemischer Verbindungen (auch von Proteinen) über eine Membran. Sie gehören damit strenggenommen nicht zu den Enzymen, da sich die Verbindung dabei chemisch nicht verändert. Ansonsten kann die Transportreaktion jedoch wie eine enzymatische Reaktion betrachtet werden. Insbesondere folgt sie meist einer Michaelis-Menten-Kinetik. Es gibt diffusionserleichternde Transportproteine (transport facilitators), Transporter, bei der gleichzeitig mehrere Substanzen in die gleiche Richtung (Symporter) oder in entgegengesetzte Richtungen (Antiporter) transportiert werden, und solche, bei denen der Transport mit dem Verbrauch von ATP verbunden ist. Den letzten Fall bezeichnet man als sekundären Transport.