Biophysikalische Modellierung des Zellmembrantransports
Das EU-finanzierte Projekt BIOL-TRANSP-COMPUT (Mechanisms of transport across biological membranes) untersuchte den ganzen Komplex der Membranproteinfunktionen. Die Forscher wählten drei Proteine für diese Studie aus: SecA-Motorprotein, AHA2-Plasmamembran-Protonenpumpe und den lichtempfindlichen Kationenkanal. Mithilfe von Computeranalyse wollten sie Details der Dynamik der chemomechanischen Kopplung und Protonierung bei der Vermittlung des Transports aufdecken. Das Fundament der Forschungen von BIOL-TRANSP-COMPUT konzentrierte sich auf die Wasserstoffbrückenbindung. Protonierung ist die Zugabe von Wasserstoffionen oder Protonen zu einer Substanz, um sie so saurer zu machen. Dieser Prozess der Wasserstoffbrückenbindung ist kritisch für Protonentransfersysteme und Protein-Konformationen, die den Transport von Molekülen durch die Zellmembranen ermöglichen. SecA verwendet Adenosintriphosphat (ATP)-abhängige chemomechanische Kopplung, um Proteinen durch Membranen in Bakterien zu translozieren. Bioinformatik und Sequenzanalysen zusammen mit SecA-Dynamikberechnungen lieferten neue Einblicke in diesem Bereich. Eine Alle-Atome-Simulation in Großwasser brachte wertvolle Erkenntnisse zur Konformationsdynamik von SecA. Wichtige Beobachtungen umfassten die enge Kopplung von Protein- und Wasserwechselwirkungen mit dem Nukleotid-Bindungszustand. Die AHA2-Plasmamembran-Protonenpumpen gehört zur Familie der P-Typ-ATPasen. Diese komplexen Enzyme wirken als sekundäre Transportsysteme mithilfe von Langstrecken-Konformationskopplung. Die Analyse durch das Projekt demonstrierte den Zugriff auf das Wasser der primären Proton-Donor/Akzeptor-Gruppe und die Verknüpfung von Struktur und Dynamik mit dem Protonierungszustand. Kanalrhodopsine sind lichtempfindliche Netzhauttransporterproteine. Durch Sequenzanalysen und nachfolgende Homologie-Modelle gewannen die Forscher strukturelle Informationen über Kanalrhodopsin-Varianten. Die Reaktionszyklen der Netzhautproteine werden durch die Photoisomerisierung des retinalen Chromophors eingeleitet. Die Anwendung von kombinierter Quantenmechanik-/Molekülmechanik-Analyse hat gezeigt, dass die Moleküldynamik in den Rhodopsinen durch Wasserstoffbrücken mit den umliegenden Protein- und Wassergruppen geprägt ist. Die Wasserstoffbrückenbindungsdynamik ist von wesentlicher Bedeutung für die Konformation von Transportern. Allgemeine Erkenntnisse über Gruppen, die womöglich Protonen speichern, sind notwendig, um den Wirkungsmechanismus von protonengekoppelten biologischen Systemen zu verstehen. Die Ergebnisse dieses Projekts könnten daher erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Arzneimitteln in der biomedizinischen Forschung haben.
Schlüsselbegriffe
Biophysikalische Modellierung, Transportprotein, SecA, AHA2, Kanalrhodopsin
