Forschung | Perspektiven | 2010 | Makromolekulare Komplexe

Makromolekulare Komplexe sind zelluläre Maschinen, die eine Vielzahl lebenswichtiger Aufgaben erfüllen. Die Kenntnis ihrer Struktur hilft uns, ihre Funktion zu verstehen – und damit die Arbeitsweise der Zelle im gesunden wie im kranken Zustand. Die heutigen Forschungsmethoden erlauben bereits detaillierte Einblicke in die Struktur einzelner Maschinen, doch wir brauchen neue, noch leistungsfähigere Verfahren.

Makromolekulare Komplexe sind gleichsam natürliche Maschinen im Innern unserer Zellen. Sie bestehen aus einer Hand voll bis mehreren tausend Komponenten – zumeist Proteinen, aber auch Nukleinsäuren, Kohlenhydraten oder Lipiden. Zu den lebenswichtigen Aufgaben, die sie erfüllen, gehören die Übersetzung des genetischen Kodes, der Energiestoffwechsel und die Kommunikation zwischen Nervenzellen.

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Bild 1 | Makromolekulare Komplexe

Einige der bekanntesten Komplexe sind an der Genexpression beteiligt – also an der Herstellung von Eiweißstoffen nach einem im Erbgut enthaltenen Bauplan. Zunächst erzeugt ein solcher Komplex, die RNA-Polymerase, Blaupausen dieses Plans in Form von Boten-RNA. Aus dieser entfernt dann ein anderer, das Spleißosom¹ (Bild 1a), überflüssige Abschnitte.

MIKROKOSMOS DER NANOMASCHINEN

Der Kernporenkomplex, eine der größten molekularen Maschinen, durchspannt die Membran des Zellkerns und kontrolliert den Austritt von RNA und den Zutritt anderer Moleküle wie Proteine und Signalstoffe² (Bild 2). Das Ribosom^3,4 (Bild 1b) bindet sich an Boten-RNA-Moleküle und fährt daran entlang, wobei es die genetische Information entziffert und in eine Folge von Aminosäuren übersetzt, die es zu Proteinen verknüpft. Ein weiterer molekularer Komplex, das Exosom⁵ (Bild 1c), zerlegt unerwünschte RNA, während das Proteasom für das Recycling fehlerhafter oder nicht mehr benötigter Proteine sorgt.

Besonders interessante makromolekularer Komplexe finden sich in der Lipid-doppelschicht der Membranen, die die Zelle umhüllen oder Bereiche in ihrem Innern abgrenzen. Spezielle Membrankomplexe in den Chloroplasten der Pflanzen oder in Bakterienmembranen wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um⁶, die dann zur Synthese organischer Verbindungen – den Bausteinen des Lebens – dient.

Makromolekulare Komplexe in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zellen aller höheren Organismen, oder in der Plasmamembran von Bakterien gewinnen Energie aus der Zellatmung. Dabei werden Elektronen von Stoffwechselprodukten unserer Nahrung auf molekularen Sauerstoff übertragen – an der Membran entsteht ein Protonengradient. Ihn nutzt ein weiterer makromolekularer Komplex, die ATP-Synthase, zur Erzeugung von ATP, dem Hauptenergieträger aller Zellen.

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