Muskelzellen brauchen Kalzium-Ionen

Die Strukturanalyse für einen Ryanodin-Rezeptor 1 bringt Einsicht in die Kalziumfreisetzung während der Muskelkontraktion

13. März 2020

Wenbo Chen und Mischa Kudryashev vom Max-Planck-Institut für Biophysik und dem Buchmann-Institut für molekulare Biowissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt ist es gelungen, die Struktur von RyR1 in geschlossenen und offenen Zuständen aufzuklären. Wichtig ist, dass im Vergleich zu den zuvor berichteten Strukturen von RyR1, die aus den Zellen extrahiert wurden, die aktuellen Strukturen in nativen Membranen des sarkoplasmatischen Retikulums bestimmt wurden, was sie physiologisch relevanter macht.

Struktur von RyR1

Es ist bekannt, dass die Muskelkontraktion durch Kalzium reguliert wird. Ein von einem Motoneuron erzeugtes Aktionspotential pflanzt sich auf der Oberfläche der Muskelzelle fort, aktiviert spannungsgesteuerte Kalziumkanäle und ermöglicht den Kalziumfluss in die Muskelzelle. Dieses Kalzium aktiviert einen weiteren Ionenkanal, den so genannten Ryanodin-Rezeptor (RyR1 in den Muskelzellen), der noch mehr im sarkoplasmatischen Retikulum gespeichertes Kalzium an das Zytoplasma der Zelle abgibt. Das im Zytoplasma zwischen Myosin- und Aktin-Filamenten der Muskelfasern diffundierende Kalzium bewirkt, dass die Filamente ineinander gleiten und die Kontraktion der gesamten Muskelfaser auslösen. Wenn das Aktionspotential abklingt, werden die Kalziumionen mit der SERCAs-Pumpe (Sarcoplasmic/endoplasmic reticulum calcium ATPase) aktiv in das sarkoplasmatische Retikulum zurückgepumpt.

In der aktuellen Forschungsarbeit wurden die Vesikel des sarkoplasmatischen Retikulums gereinigt, durch Kryo-Elektronentomographie abgebildet und die Struktur durch Mittelung mit einer Auflösung von 12,6 Å ermittelt. Im nativen Kontext wurden mehrere bisher nicht beobachtete Merkmale festgestellt; helixartige Elektronendichten, die die Doppelschicht etwa 5 nm von der RyR1-Transmembrandomäne entfernt überqueren, sind zu sehen, sowie sarkoplasmatische Erweiterungen, die RyR1 mit einem mutmaßlichen Kalsequestrin-Netzwerk verbinden. Die primäre Konformation von RyR1 in nativen Membranen und seine Strukturvarianten werden gezeigt. Überraschenderweise ist die Aktivierung von RyR1 mit Änderungen der Membrankrümmung und Bewegung in den sarkoplasmatischen Extensionen verbunden.

Diese Strukturen geben einen Einblick in den Mechanismus von RyR1 in seiner natürlichen Umgebung.

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