Institut für Biochemie I – Molekulare Bioenergetik

 

Komm. Direktor: Prof. Dr. Ulrich Brandt (bis 29.12.2004)

 

1. Medizinisches Leistungsangebot

 

Entfällt.

 

2. Lehre

 

Siehe Vorlesungsverzeichnis.

 

3. Forschung

 

Über ihre Funktion als Kraftwerke der Zelle hinaus spielen Mitochondrien eine Schlüsselrolle bei Apoptose, Alterungsprozessen und vielen ererbten und erworbenen Krankheiten. In der Arbeitsgruppe Molekulare Bioenergetik am Institut für Biochemie I erforschen wir die mole­kularen Grundlagen mitochondrialer Funktion und Dys­funktion.

Komplex I (protonenpumpende NADH:Ubichinon Oxidoreduktase) erzeugt beim Menschen 40% des Protonengradienten über die innere Mitochondrien­membran, der Triebkraft der mitochondrialen ATP-Synthese. Das kompliziert aufgebaute Enzym besteht aus insgesamt 46 Untereinheiten, wovon sieben mitochondrial codiert sind. Zahlreiche Enzephalo­myopathien, Kardiomyopathien und degenerative Erkrankungen des ZNS beruhen auf ererbten oder erworbenen Defekten in Komplex I.

In den letzten Jahren konnten wir zeigen, dass die Atmungskettenkomplexe der mito­chon­drialen Membran in Form von Superkomplexen, sogenannten Respirasomen, vorliegen.

Darüber hinaus wurde in mehreren Kooperationen der Einfluss von verschiedenen Stoff­klassen (K+-Kanal Effektoren, potentielle Typ-2-Antidiabetika) auf den Stoffwechsel und die Atmungskette von intakten Mitochondrien untersucht.

 

3. 1. Forschungsschwerpunkte

 

3. 1. 1. Forschergruppe Prof. Dr. Ulrich Brandt:

 

·        Entwicklung eines Strukturmodells für das Ubichinon-reduzierende „catalytic core“ im mitochondrialen Komplex I der mitochondrialen Atmungskette.

·        Etablierung der obligat aeroben Hefe Y. lipolytica als Modellorganismus zur genetischen Analyse von Komplex I.

·        Rekonstruktion und Charakterisierung von humanpathogenen Mutationen in Komplex I aus Y. lipolytica.

·        Untersuchung der Interaktion von Komplex I mit spezifischen Inhibitoren.

·        Untersuchungen am Schweineherz-Modell zum Einfluss verschiedener Reoxygenierungs­protokolle nach prolongierter Ischämie auf die Produktion von Sauer­stoffradikalen (oxidative burst) und auf die Expression spezifischer Gene (mit Prof. Dr. Anton Moritz, Klinik für Thorax-, Herz- und Thorakale Gefäßchirurgie)

·        Stoffwechsel des mitochondrialen K+-Kanal-Effektors 5-Hydroxydecansäure durch die mitochondriale b-Oxidation und Einfluss seines Antagonisten Diazoxid auf die mitochondriale Atmung und die Produktion von Sauerstoffradikalen (mit Dr. Peter Hanley und Prof. Dr. Jürgen Daut, Institut für Physiologie, Universität Marburg).

·        Detektion von Sauerstoffradikalen in zellulären und in-vitro-Systemen (mit Dr. Ralf Brandes, Institut für Physiologie I).

·        Nebenwirkungen von potentiellen (Typ 2) Antidiabetika auf die mitochondriale Atmungskette (mit der Aventis Pharma GmbH, Frankfurt am Main).

 

3. 1. 2. Forschergruppe Prof. Dr. Hermann Schägger:

 

·        Aufbau, Stabilität und funktionelle Bedeutung von Respirasomen.

·        Störungen der Biogenese von Respirasomen bei mitochondrialen Erkrankungen.

·        Biochemie und Pathobiochemie von Dimeren der F1FO-ATP-Synthase.

·        Funktion OXPHOS assoziierter Proteine.

·        Methoden zur Diagnose mitochondrialer Erkrankungen auf Proteinebene.

 

 

3. 2. Forschungsprojekte

 

3. 2. 1. Forschergruppe Prof. Dr. Brandt:

 

·        Mehrere hochkonservierte Histidin- und Arginin-Reste in der 49 kDa Untereinheit spielen eine wichtige Rolle für die katalytische Funktion von Komplex I (2).

·        Die Hemmwirkung mehrerer neu synthetisierter Komplex I Inhibitoren aus der Substanzklasse der Acetogenine wurde charakterisiert (3).

·        Die molekulare Umgebung verschiedener Eisen-Schwefel-Zentren in Komplex I aus Y. lipolytica wurde mit Hilfe der „REFINE“ EPR-Spektroskopie analysiert. Für Zentrum N2 konnte eine Interaktion mit einem Stickstoff-Kern aufgezeigt werden (4).

·        24 akzessorische Untereinheiten von Komplex I aus Y. lipolytica wurden auf Gen und/oder Protein-Ebene identifiziert, mit Hilfe von BLAST-Suchen in der Rohversion der genomischen Sequenz und/oder MALDI-TOF massenspektroskopischen Analysen von tryptischen Peptiden (5).

·        Die Rekonstruktion humanpathogener Mutationen in den 24 kDa, 30 kDa, 49 kDa, PSST und TYKY Untereinheiten von Komplex I in Y. lipolytica zeigte, dass diese Mutationen einen nur partiellen Funktionsdefekt von Komplex I bewirken. Die untersuchten Leigh Syndrom Mutationen in den 49 kDa und PSST Untereinheiten liegen im Hydrogenase-Modell für das Ubichinon-Reduktionszentrum von Komplex I in der Peripherie der beiden Untereinheiten (9).

·        Der mitochondriale Import der 24 kDa Untereinheit von Komplex I aus Y. lipolytica ist nicht notwendigerweise mit der N-terminalen Prozessierung des Vorläufer-Proteins verknüpft. Auch wenn aufgrund einer Deletion ein Teil der mitochondrialen Zielsequenz, inklusive des Prozessierungssignals fehlt, wird die veränderte 24 kDa Untereinheit in die mitochondriale Matrix importiert und in voll funktionsfähigen Komplex I eingebaut (10).

·        Dihydro-Fluorescein ist als Sonde für die Detektion intrazellulärer Sauerstoffradikale gut geeignet, während Dihydro-Calcein hierfür ungeeignet ist (14).

 

Diese Arbeiten wurden durch die DFG im Rahmen des SFB 472 (Molekulare Bioenergetik) und des SFB 628 (Functional Membrane Proteomics), durch den Fonds der Chemischen Industrie, die Messer-Stiftung, Griesheim und eine Kooperation mit der Aventis Pharma GmbH, Frankfurt gefördert.

 

 

 

3. 2. 2. Forschergruppe Prof. Dr. Hermann Schägger:

 

·        Superkomplexe in der Atmungskette des Bakteriums Paracoccus denitrificans tragen zur Stabilisierung von Komplex I bei (1).

·        Superkomplexe in der Atmungskette des Menschen sind notwendig zur Assemblierung und Stabilisierung von Komplex I (6).

·        Ein neues Protokoll zur zweidimensionalen Gelelektrophorese, das hervorragend zur Auftrennung membranständiger Multiproteinkomplexe geeignet ist, wurde entwickelt (7).

·        Die Analyse des bakteriellen Protein-Translokationskomplexes ergab, dass das SecYEG-Dimer mit je ein bis zwei SecA Molekülen assoziiert ist (8).

·        Die Aktivität der mitochondrialen Atmungskette ist abhängig von der Biosynthese von Cardiolipin (11).

·        AIF1 (Apoptosis inducing factor 1) hat eine essentielle Funktion für die Assemblierung von Komplex I der mitochondrialen Atmungskette (12).

·        Im Zellkulturmodell hemmen spezifische, gegen die DNA-bindende oder die Dimerisierungsdomäne von STAT3 gerichtete Peptid-Aptamere die Transaktivierung und induzieren Apoptose (13).

 

Diese Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des SFB 472 (Molekulare Bioenergetik) und des SFB 628 (Functional Membrane Proteomics) gefördert.