Das Enzym transhydrogenase spielt eine zentrale Rolle in der Regulierung der Stoffwechselprozesse in Tieren und Menschen gleichermaßen. Störung kann führen zu schwerwiegenden Erkrankungen. Für die erste Zeit, strukturbiologen haben nun visualisiert und analysiert das Enzym die Atomare Struktur mit der Unterstützung des Instituts neu installierten high-end-Kryo-Elektronenmikroskop.
Innerhalb jeder Zelle, die Energie-Häuser genannt Mitochondrien kontinuierlich brechen Moleküle, abgeleitet aus der Nahrung zur Energiegewinnung sowie zur Herstellung neuer Moleküle, die als Grundbausteine der Zellen. Abwägung dieser beiden gegenläufigen Prozesse wird erreicht, indem ein Enzym, die sogenannte Protonen-translozierenden transhydrogenase oder NNT (Nicotinamid-Nukleotid-transhydrogenase). NNT sitzt in der Mitochondrien-Membran und nutzt die elektrochemischen Protonen-Gradienten erzeugt, indem die Zellatmung um die Mitochondrien mit gerade der rechten Menge des co-Enzyms NADPH eine wichtige metabolische Vorstufe.
Das ordnungsgemäße funktionieren der NNT ist von entscheidender Bedeutung für die Stoffwechsel-Regulierung in allen Tieren einschließlich des Menschen. Aber die details, wie die NNT führt der koordinierte transfer von Protonen über die Membran und die Synthese von NADPH haben, blieben unklar aufgrund der fehlenden Kenntnisse über das Enzym die Atomare Struktur. Domen Kampjut, PhD-student am IST Austria, und sein Vorgesetzter und Anführer der Gruppe, Professor Leonid Sazanov haben jetzt zum ersten mal visualisiert das Molekül von Säugetieren NNT auf einer Skala, die erlaubt, Sie zu identifizieren, die strukturellen Prinzipien des Enzym-Kanal-gating-und damit um ein tieferes Verständnis der Funktionsweise (und defekte).
„Auflösung revolution“ am IST Austria
Die atomic-Analyse des Enzyms NNT war nur möglich durch die Nutzung von state-of-the-art Technologie-Entwicklung in Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), die so genannte „Auflösung revolution“. Teile der aktuellen Studie die Daten wurden generiert mit Hilfe eines neuen Kryo-Elektronen-Mikroskop installiert IST österreich nur im Herbst 2018 und sind die ersten, die veröffentlicht werden mit einem von drei neuen Maschinen, die „300-kV-FEI Titan Krios,“ in Klosterneuburg.
Die cryo-EM-Analyse von NNT — die beteiligten umfangreiche Zeit – und Aufwand-Konsum-Bildbearbeitung und der Unterstützung der Experten der zentral organisierten und etablierten Electron Microscopy Facility at IST österreich-geliefert in der Nähe von atomarer Auflösung Bilder von der Molekül drei verschiedenen Domänen in verschiedenen conformational states.
Öffnen das Tor für Protonen-und neue Formen der medizinischen Behandlung
Mit diesen Bildern, die strukturellen Biologen konnten zeigen, wie die Domäne, bindet NADPH öffnen der proton-Kanal zu beiden Seiten der Membran der Mitochondrien. Der erste Autor Domen Kampjut: „NNT wurde, studierte für ein paar Jahrzehnte, aber die klassische bildgebende Verfahren wie die Röntgen-kristallografie haben es versäumt, geben einen detaillierten Einblick in seine Struktur, weil es ist sehr dynamisch. Außerdem, Membran-Proteinen, wie NNT sind besonders schwierig zu studieren, wie Sie sind zerbrechlich und schwer zu reinigen, in großen Mengen benötigt für Kristallographie. So, nur mit cryo-EM konnten wir endlich klar sehen, wie das proton transfer funktioniert-und mit dieser, finden Sie eine fehlende Stück im puzzle auf dem Weg zum Verständnis, was ist zu tun, wenn es nicht funktioniert.“
Professor Leonid Sazanov fügt hinzu: „Diese Strukturen sind besonders spannend, weil die transhydrogenase führt eine erstaunliche volte-face durch Drehung eine ganze, ziemlich große, NADPH-bindende Domäne von 180 Grad ‚up‘ oder ‚down‘. Dies ist, soweit wir wissen, einzigartig unter den untersuchten Enzym-Mechanismen. Allerdings, so eine Drehung macht jetzt durchaus Sinn, in Anbetracht des von uns vorgeschlagenen Mechanismus, und es zeigt, wie Natur ‚kreativ‘ lösen Sie anspruchsvolle Aufgaben.“
Die Ergebnisse sind ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung der Entwicklung neuartiger Therapien. Zum Beispiel, die Entwicklung derzeit nicht verfügbar NNT-Inhibitoren hat eine große therapeutische Potenzial hinsichtlich der metabolischen Funktionsstörungen, einschließlich metabolische Syndrom und einige Krebsarten.