Transport in die Zelle

Struktur der V-ATPase von Hefe, sichtbar gemacht mit Kryoelektronenmikroskopie. Bild: erstellt von Zangger/Uni Graz, publiziert von Zhao, J., Benlekbir, S., Rubinstein, J.L. (2015), Nature, 521 241-245

Grazer ForscherInnen klären Rätsel, wie Wasserstoff-Ionen durch die Membran gelangen

Bestimmte Zellen im Körper müssen sauer sein, um richtig arbeiten zu können. Für den optimalen pH-Wert sorgt ein Protein in der Zellmembran, die V-ATPase. Sie transportiert mit Hilfe der Aminosäure Arginin positiv geladene Wasserstoff-Ionen in die Zelle, was diese sauer macht. Funktioniert die V-ATPase nicht richtig, kommt es zu verschiedenen Erkrankungen, wie etwa der Osteopetrose, bei der die Knochen brüchig werden. Wie der Transport von H+-Ionen in die Zelle im Detail funktioniert, war bislang unklar. ForscherInnen der Universität Graz und der Medizinischen Universität Graz haben dieses Rätsel in Kooperation mit KollegInnen der Universität für Bodenkultur Wien nun geklärt und damit einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis möglicher Krankheitsursachen geleistet. Die neuen Erkenntnisse wurden kürzlich im Journal of Biological Chemistry veröffentlicht.

Arginin ist hydrophil. Das bedeutet, dass es mit Wasser wechselwirkt. „In der V-ATPase bindet Arginin die H+-Ionen an sich“, erklärt Klaus Zangger vom Institut für Chemie der Universität Graz. Da sich in der Zellmembran sonst nur hydrophobe, sprich, wasserabstoßende Stoffe befinden, müsste das mit Wasserstoff beladene Arginin eigentlich an den Rand der Membran gedrängt werden und könnte seine Transportfunktion nicht erfüllen. Warum aber ist das nicht der Fall?
„Unsere Untersuchungen mittels Kernspinresonanzspektroskopie, Simulationen der molekularen Prozesse und Forschungen an Hefezellen zeigten, dass es in der Zellmembran zu einer sogenannten Kation-π-Wechselwirkung kommt, durch die das Arginin gewissermaßen eingeklemmt und festgehalten wird“, fasst Zangger zusammen. Unter einer Kation-π-Wechselwirkung versteht man die Interaktion von Kationen – positiv geladenen Ionen – mit der Oberfläche von unpolaren, aromatischen Strukturen, die auch Bausteine der V-ATPase sind.

Der Chemiker vermutet, dass die jüngsten Erkenntnisse nicht nur im Zusammenhang mit der V-ATPase relevant sind. „Kation-π-Wechselwirkungen könnten generell einen Mechanismus darstellen, wie sich mit H+-Ionen geladene Aminosäuren in einer hydrophoben Umgebung in einer Membran halten können.“

Die Arbeit entstand aus einer Kollaboration mit der Arbeitsgruppe Sepp Kohlwein im Doktoratskolleg „DK Molecular Enzymology“ und wurde finanziell unterstützt durch den Wissenschaftsfonds FWF, von NAWI Graz – dem Schulterschluss der Universität Graz und der TU Graz in den Naturwissenschaften – sowie von BioTechMed-Graz, der gemeinsamen Forschungsplattform von Universität Graz, TU Graz und Med Uni Graz.

Publikation
A cation-π interaction in a transmembrane helix of vacuolar ATPase retains the proton-transporting arginine in a hydrophobic environment
Walter Hohlweg, Gabriel E Wagner, Harald F Hofbauer, Florian Sarkleti, Martina Setz, Nina Gubensäk, Sabine Lichtenegger, Salvatore Fabio Falsone, Heimo Wolinski, Simone Kosol, Chris Oostenbrink, Sepp D. Kohlwein and Klaus Zangger
Journal of Biological Chemistry 2018 Dec 7, 293(49):18977-18988. doi: 10.1074/jbc.RA118.005276. Epub 2018 Sep 12.

Gudrun Pichler

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