Mitochondrien: Zusammensetzung entscheidend

13. Juni 2013
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Mitochondrien führen zentrale Funktionen im Stoffwechsel der Zelle aus. Forscher haben nun nachgewiesen, dass der Einbau von Proteinen in die äußere Membran des Mitochondriums durch die Zusammensetzung der Lipiddoppelschicht der Membran beeinflusst wird.

Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben. Die äußere Membran ist die Kontaktoberfläche zum Zytosol, dem flüssigen Bestandteil der Zelle. An ihr laufen Signal- und Transportprozesse ab, die den Austausch von Molekülen und Ionen zwischen Mitochondrium und Zytosol erfordern. Dafür sind Membranproteine, die in diese Kontaktoberfläche integriert sind, unerlässlich. Einige von ihnen sind über eine oder mehrere Alpha-Helices in der Membran verankert, andere weisen eine Beta-Fassstruktur auf. Alle diese Proteine werden an zytosolischen Ribosomen gebildet und gelangen mithilfe so genannter Proteintranslokasen in die mitochondriale Außenmembran. Daneben enthält die Membran Phospholipiden, die in Form der Lipiddoppelschicht das Grundgerüst biologischer Membranen ausbilden. Während die Funktion der Proteintranslokasen zum Teil verstanden ist, ist die Rolle der Phospholipide der Außenmembran für den Einbau von Proteinen in die Membran weitgehend ungeklärt.

Beeinträchtigter Importweg

Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Exzellenzcluster BIOSS Centre for Biological Signalling Studies und dem Sonderforschungsbereich 746 der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg hat das Team um Privatdozent Dr. Thomas Becker die Rolle des Phosphatidylethanolamins, eines der häufigsten Phospholipide der mitochondrialen Außenmembran, bei dem Einbau von Membranproteinen untersucht. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Günther Daum von der Technischen Universität Graz/Österreich und mit Prof. Dr. Nikolaus Pfanner von der Universität Freiburg charakterisierten die Forscher einen Stamm der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, der einen reduzierten Gehalt an Phosphatidylethanolamin aufweist. Dr. Susanne Horvath und Lena Böttinger aus Beckers Team fanden heraus, dass die Integration alpha-helikal verankerter Proteine in die mitochondriale Außenmembran in diesem Stamm nicht beeinträchtigt ist, wohingegen der Einbau von Proteinen mit Beta-Fassstruktur stark vermindert ist. Während Proteine mit einem alpha-helikalen Membrananker direkt vom Zytosol aus in die Membran gelangen, werden Proteine mit Beta-Fassstruktur zunächst mithilfe des TOM-Komplexes, der Proteintranslokase der Außenmembran, über die äußere Membran transportiert, um von dort aus in die Membran integriert zu werden. Der reduzierte Gehalt an Phosphatidylethanolamin beeinträchtigt den Transportvorgang über den TOM-Komplex und damit den ersten Schritt des Importwegs der Proteine mit Beta-Fassstruktur.

Direkte Beeinflussung

Die Wissenschaftler zeigen damit auf, dass nicht nur Proteintranslokasen, sondern auch die Lipidzusammensetzung einer Membran für die Integration der Proteine in die Lipiddoppelschicht eine wichtige Rolle spielt. Insbesondere wird deutlich, dass die Funktion von membranintegralen Proteinmaschinen wie dem TOM-Komplex von der Lipidumgebung direkt beeinflusst wird.

Originalpublikation:

Role of Phosphatidylethanolamine in the Biogenesis of Mitochondrial Outer Membrane Proteins.
T. Becker et al.; The Journal of Biological Chemistry, doi: 10.1074/jbc.M112.442392, 2013

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