Schalterprotein: Aminosäure behindert Abspaltung

13. Oktober 2015
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Die dynamische Arbeitsweise zweier GTPasen, die für den Stoffimport in den Zellkern und das Zellwachstum verantwortlich sind, wurde in subatomarer Auflösung exakt beobachtet. Durch die Kombination dreier Methoden wurde eine Auflösung von einem Hundertstel Atomdurchmesser erreicht.

Die Schalterproteine Ran und Ras steuern wichtige Prozesse wie den Import von Stoffen in den Zellkern oder das Zellwachstum. Ist ihre Funktion beeinträchtigt, kann das schwere Krankheiten auslösen. Ein verlangsamtes Ras-Protein ist etwa eine Ursache für Darmkrebs. Ran und Ras gehören zu den sogenannten GTPasen. Wenn das Molekül GTP an sie gebunden ist, sind die Proteine angeschaltet. Wird von dem GTP-Molekül eine Phosphatgruppe abgespalten, schaltet das die Proteine aus. Diesen Ausschaltprozess hat das Team um Prof. Dr. Klaus Gerwert und PD Dr. Carsten Kötting im Detail verfolgt.

Das Protein Ran lässt sich langsamer ausschalten als das Protein Ras. Bislang vermuteten Forscher, dass das mit der Position eines Magnesiumions in der Bindetasche für das GTP-Molekül zu tun hat. Die aktuelle Studie belegt jedoch, dass das Magnesiumion in Ran und Ras exakt an der gleichen Stelle ist. Stattdessen verhindert die Seitenkette einer Aminosäure in Ran, dass ein angreifendes Wassermolekül die optimale Position einnehmen kann, um die Phosphatgruppe von GTP abzuspalten.

Auflösung von einem Hundertstel Atomdurchmesser erreicht

Für solch detaillierte Beobachtungen ist eine subatomare Auflösung notwendig. Möglich macht das die Kombination von Röntgenstrukturanalyse, Infrarotspektroskopie und Computersimulationen. Die Röntgenstrukturanalyse liefert anschauliche atomare Modelle, die allerdings starr sind. Die Infrarotspektroskopie erlaubt Einblicke in dynamische Prozesse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung; sie ergibt jedoch keine anschaulichen Modelle. Mit Computersimulationen lassen sich Daten beider Methoden kombinieren, so dass hoch aufgelöste Videos entstehen.

Originalpublikationen:

Catalysis of GTP hydrolysis by small GTPases at atomic detail by integration of X-ray crystallography, experimental and theoretical IR spectroscopy
Till Rudack et al.; Journal of Biological Chemistry, doi: 10.1074/jbc.M115.648071; 2015

Integration of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Fluorescence Spectroscopy, Steady-state Kinetics and Molecular Dynamics Simulations of Gαi1 Distinguishes between the GTP Hydrolysis and GDP Release Mechanism
Grit Schröter et al.; Journal of Biological Chemistry, doi: 10.1074/jbc.M115.651190; 2015

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