Neue Einblicke in die biologische Energieumwandlung

Hochaufgelöste Struktur und Dynamik des mitochondrialen Komplexes I

13. November 2021

Die Versorgung der Zellen mit Energie ist ein essentieller Prozess in allen Formen des Lebens. Der Atmungskomplex I spielt eine zentrale Rolle im aeroben Energiestoffwechsel, aber sein molekularer Mechanismus ist noch weitgehend unverstanden. In einer neuen Studie mit Hilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie und Computersimulationen haben Forschende des Max-Planck-Instituts für Biophysik und der Goethe-Universität Frankfurt zusammen mit Kollegen der Universität Helsinki die hochauflösende Struktur und Dynamik der katalytischen Funktion dieser Schlüsselkomponente der biologischen Energieumwandlung aufgezeigt.

Kryo-EM-Struktur von Komplex I aus Yarrowia lipolytica mit einer Auflösung von 2,1 Å: Die mitochondriale NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I) ist der größte und komplizierteste Membranproteinkomplex der Atmungskette. Komplex I koppelt die Übertragung von Elektronen aus reduziertem Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) auf Ubichinon mit der Verlagerung von Protonen durch die innere Mitochondrienmembran.

Alle Lebensprozesse erfordern eine ständige Versorgung mit Energie. ATP (Adenosintriphosphat) wird in spezialisierten Organellen der Zelle, den Mitochondrien, gebildet und dient als molekularer Treibstoff der Zelle. Der mitochondriale Komplex I (auch NADH:Ubiquinon Oxidoreduktase) ist ein sehr großer, 1-MDa-Membranproteinkomplex; er bildet den Ausgangspunkt der mitochondrialen Atmungskette, die die treibende Kraft für die ATP-Synthese liefert.

Das Forscherteam hat neue Erkenntnisse über die Funktionsweise von Komplex I gewonnen: Mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnten sie seine 3D Struktur mit bisher unerreichter Auflösung bestimmen. Protonentransfer-Reaktionen entlang von Wassermolekül- und bestimmten Aminosäure-Ketten spielen eine zentrale Rolle für die Funktion von Komplex I. Die exzellente Qualität der Strukturdaten ermöglichte es, Wassermoleküle in der Proteinstruktur genau zu lokalisieren und Rückschlüsse auf Protonentransferwege zu ziehen. Diese Strukturdaten ermöglichten auch umfangreiche Computersimulationen, die neue Einblicke in die Dynamik des Komplexes geben. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht und liefern ein neues und detailliertes Bild davon, wie eine molekulare Maschine funktioniert.

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