Membranproteine: Aufgaben, Strukturen und Wirkungsweise

Prof. Dr. Dr. h.c. Hartmut Michel,
Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt am Main

Alle biologischen Zellen werden von Membranen umgeben, zusätzlich werden die Zellen höherer Organismen von Membranen unterteilt. Biologische Membranen bestehen aus Lipiden und Membranproteinen. Prinzipiell sind sie für Ionen und polare Substanzen nicht durchlässig. Deshalb können elektrische Spannungen, auch Membranpotentiale genannt, und Substanzgradienten über diese Membranen aufgebaut und aufrechterhalten werden.

Im Vergleich mit den Lipiden kommen den Membranproteinen die wichtigeren Aufgaben zu. Sie sind verantwortlich für:

1. den Transport von Substanzen über die Membranen. Nährstoffe, Vitamine und Enzymsubstrate müssen aufgenommen werden, Stoffwechselendprodukte und Substanzen, die extrazellulär gebraucht werden, müssen aus den Zellen ausgeschleust werden. „Ionenpumpen“ halten Ionengradienten über die Zellmembran aufrecht.
2. den Großteil des Elektronenflusses und den Energiestoffwechsel der Zellen, insbesondere bei der Photosynthese und der Zellatmung.
3. Signalerkennung, Weiterleitung des Signals durch die Zellmembran und Amplifizierung des Signals.
4. enzymatische Reaktionen, bevorzugt mit hydrophoben Substraten.

 Ziel unserer Forschung ist es, die Funktion ausgewählter Membranproteine und ihre Wirkungsweise zu verstehen. Zusätzlich wirken die meisten Arzneimittel, indem sie Membranproteine, insbesondere Rezeptoren, hemmen oder aktivieren. Deshalb ist die Aufklärung der Struktur von Membranproteinen für die gezielte Entwicklung von Arzneimitteln durch „drug design“ oder „virtuelles Screening“ sehr wichtig. Jedoch gestaltet sich das Arbeiten mit Membranproteinen als äußerst schwierig. Dies liegt an der mangelnden Verfügbarkeit der Membranproteine und ihrer Instabilität. Zurzeit sind die Strukturen von etwa 500 verschiedenen Membranproteinen bekannt, das ist wenig, verglichen mit weit mehr als 20 000 löslichen Proteinen. Darunter sind die Strukturen von 50 (von ca. 7000) Membranproteinen des menschlichen Körpers.

Die Methoden zur Bestimmung der Struktur von Membranproteinen werden vorgestellt und die Strukturen und Mechanismen ausgewählter Membranproteine aus der Photosynthese und Zellatmung sowie von Membranproteinen mit medizinischem Interesse präsentiert.