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Molekulare Architekturdynamik und Membrantransport

Die sekundäre Wirkung von Membrantransportern hat weitreichende Folgen, etwa die Arzneimittel- und Nährstofferreichbarkeit von Targetzellen. EU-Forscher haben die Rolle der molekularen Architektur für das Wechselspiel der Moleküle im Zusammenhang mit der Wirkstoffabgabe untersucht.
Molekulare Architekturdynamik und Membrantransport
Sekundäre aktive Transporter nutzen den innerhalb und außerhalb der Zellmembran vorhandenen Natriumgradienten. Ungeachtet ihrer Bedeutung für alle biologischen Prozesse ist nur wenig über deren molekulare Struktur, und wie diese sich während der Transportaktivitäten verändert, bekannt.

Dem Projekt TRANSPORTER FUNCTION (Mass spectrometry of structural dynamics in secondary membrane transporters) ist es unter Einsatz von Massenspektrometrie (MS) und Computermodellierung gelungen, zwei Strukturmodelle im Verlauf eines aktiven biologischen Prozesses zu vergleichen.

Die Forscher wählten für die Studie Natrium-/Protonenaustauscher (periplasmatische Nitratreduktase (NapA) und Na+/H+-Antiporter (NhaA). NapA erfordert große Konformationsänderungen während des Transportzyklus, wohingegen man bei NhaA davon ausgeht, dass es nur zu kleinen strukturellen Modifikationen kommt.

Man entwickelte ein neues MS-Verfahren, um die Wechselwirkungen von NapA und NhaA mit Membranlipiden zu analysieren und zu vergleichen. Aus den Resultaten geht hervor, dass NapA stabile Dimere bildet und nach der Reinigung praktisch keine Lipide enthält, während NhaA-Dimere sehr leicht dissoziieren und selektiv gebundenes Cardiolipin zurückbehalten.

In Hinsicht auf die Struktur ergaben Sequenzanalyse und Homologiemodellierung, dass NapA eine Alpha, 13-Helix-Architektur mit einer zusätzlichen Helix hat, welche großflächige Untereinheitskontakte vermittelt. Andererseits bildet NhaA ein 12-Helix-Bündel mit einer sehr schwachen Dimer-Grenzfläche ohne die zusätzliche Helix.

Das TRANSPORTER FUNCTION-Team entwickelte ein neuartiges Kalibrierprotokoll zur exakten Messung von Stoßquerschnitten (collision cross-sections, CCSs) von Membranproteinen mit geringer Ladung. CCS ist ein schnell wachsender Bereich, der das Streben nach der Erforschung der Mehrkomponentenkomplexe revolutioniert, die Proteine annehmen, um ihre Funktionen auszuführen.

Unter Einsatz dieses Protokolls fand man heraus, dass NapA bevorzugt mit geladenen Teilchen interagiert, was „molekulares Fett“ für strukturelle Änderungen im Transportzyklus zur Folge hat. MS und Molekulardynamiksimulationen von Doppelschichtmembranen zeigten, dass bei NhaA stattdessen Lipide zur Dimerstabilisierung Einsatz finden. Basierend auf den verschiedenen Selektivitäten für funktionelle Lipide, die durch sekundäre aktive Transportern angezeigt wurden, formulierte TRANSPORTER FUNCTION ein gleitendes Maßstabsmodell für die Lipidselektion in Membranproteinen.

Die selektive Bindung von Membranlipiden ermöglicht es den sekundären Transportermolekülen, die Stabilität von deren Molekülkomplexen zu verändern. Dass man das Ausmaß und die Beschaffenheit der Lipidauswahl durch Transporter bestimmen, kann, ist von immenser pharmakologischer Bedeutung. Beispiel dafür ist die Anwendung auf einen Natrium-/Protonenaustauscher, ein Arzneimittelziel bei der Behandlung von Hypertonie.

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Schlüsselwörter

molekulare Architektur, sekundärer Membrantransporter, TRANSPORTER FUNCTION, NapA, NhaA, Lipid
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