Spannungsabhängigkeit des Proteintranslokationskanals (SecY)

Viele Proteine müssen über die Membran des endoplasmatischen Retikulums oder durch die bakterielle Plasmamembran während oder nach ihrer Synthese transportiert werden. Der Transportkanal, gebildet vom Sec61 Komplex in Eukaryoten und vom SecYEG Komplex in Bakterien bzw. Archea, ermöglicht sekretorischen Proteinen die Passage durch die Lipiddoppelschicht. Er lässt auch Membranproteine durch die Kanalwandung in das Innere der Membran passieren. Während des Transports großer Proteine durch die Membran muss der SecYEG Komplex kleine Ionen vom Transport ausschließen. Anderenfalls würde der SecYEG Kanal die Salzlösungen zu beiden Seiten der Membran kurzschließen und wie eine Batterie, deren Pole überbrückt sind, würde die bakterielle Zelle ihre Energie verlieren. Von dem zugrunde liegenden Mechanismus ist nur bekannt, dass der Kanal das Tor für Ionen in Antwort auf eine elektrische Transmembranspannung schließt. Wir wollen nun besagtes Tor im Kanal identifizieren, d.h. wir wollen herausfinden, welche Kanalbestandteile durch elektrische Spannung bewegt werden. Diese Untersuchungen sind auch aus einem anderen Grund interessant: die gleiche elektrische Membranspannung, die den Ionentransport behindert, befördert den Proteintransport. Wir schlagen Experimente vor, die es ermöglichen, sowohl die Bewegung einer einzelnen Polypeptidkette als auch die Öffnung eines einzelnen Kanals simultan zu verfolgen. Gezielte Änderung der elektrischen Ladung einzelner Kanalelemente und die daraus folgende Änderung der Translokationsrate von Protein und Ionen werden verraten, auf welche Weise der Kanal die Energie des elektrischen Feldes für den Proteintransport nutzt, d.h. auf welche Weise der Kanal den Verbrauch der in Form von ATP gespeicherten chemischen Energie auf ca. ein Zehntel des Bedarfes senkt, der ohne Membranpotential anfallen würde.

Die Proteinsynthese erfolgt an Ribosomen im Zytoplasma einer Zelle. Alle Proteine, die sezerniert oder in die Plasmamembran eingebaut werden, bedienen sich spezieller Transporter, die die Translokation durch die Membran bzw. den Einbau in die Membran gewährleisten. Der wohl bedeutendste unter diesen Transportern ist die Sec-Maschinerie. Sie ist in allen Lebensformen zu finden. Ihr Grundbaustein wird in Bakterien von einem aus drei Proteinen bestehenden Membrankanal, dem sogenannten SecYEG Komplex gebildet. Während des Transports großer Proteine durch die Membran muss der SecYEG Komplex kleine Ionen vom Transport möglichst ausschließen. Anderenfalls würde die elektrische Spannungsdifferenz zwischen dem Inneren der Zelle und ihrer Umgebung zusammenbrechen wie bei einer Batterie, deren Pole überbrückt sind. Die bisherige Annahme, dass Teile des SecYEG Komplexes den Kanal abdichten, indem sie das zu transportierende Protein ähnlich einer Dichtungsmanschette passiv umschließen, hat sich als falsch erwiesen. Wir haben jetzt gezeigt, dass die Abdichtung aktiv verfolgt, d. h. dass die elektrische Membranspannung den Kanal schließt, in dem einer der Pfosten des Kanaltores sich im elektrischen Feld bewegt. Der Pfosten ist der Teil eines Spannungsensors. Letzterer schließt den Kanal, nach dem hydrophobe Proteinsegmente das Lumen zugunsten des hydrophoben Membraninneres verlassen haben. Im Gegensatz dazu verlassen hydrophile Proteinsegmente den Kanal nicht oder nicht vollständig und blockieren damit die Rückkehr des Pfostens in seine Ausgangsposition. Wir haben den verbleibenden Ionenfluss als Indikator für die Partition einer Polypeptidkette aus Kanallumen in das Membraninnere genutzt. Die Messungen haben gezeigt, dass sich das entsprechene Gleichgewicht nur sehr langsam einstellt. Der Vergleich mit den weit höheren Einbaugeschwindigkeiten, die in einer lebenden Zelle erreicht werden, zeigt eine nicht zu vernachlässigende genetische Komponente. Mit anderen Worten, die Entscheidung, das Proteinen zu sezernieren oder in die Membran einzubauen, ist nicht allein von der Hydrophobizität des Proteins bestimmt.