Biochemiker enthüllen, wie komplexe Moleküle Eisen durch den Körper bewegen

Neue Forschungsergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie eine wichtige Klasse von Molekülen in menschlichen Zellen erzeugt und bewegt wird.

Seit Jahren wussten Wissenschaftler, dass Mitochondrien – spezialisierte Strukturen in Körperzellen, die für die Atmung und Energieerzeugung unerlässlich sind – an der Montage und Bewegung von Eisen-Schwefel-Cofaktoren, einigen der wichtigsten Verbindungen im menschlichen Körper, beteiligt sind. Aber bis jetzt haben die Forscher nicht verstanden, wie genau der Prozess funktioniert.

Neue Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikationfanden heraus, dass diese Cofaktoren mit Hilfe einer Substanz namens Glutathion bewegt werden, einem Antioxidans, das hilft, bestimmte Arten von Zellschäden zu verhindern, indem es diese essentiellen Eisen-Cofaktoren über eine Membranbarriere transportiert.

Glutathion ist besonders nützlich, da es bei der Regulierung von Metallen wie Eisen hilft, das von roten Blutkörperchen zur Herstellung von Hämoglobin verwendet wird, einem Protein, das benötigt wird, um Sauerstoff durch den Körper zu transportieren, sagte James Cowan, Co-Autor der Studie und angesehener Universitätsprofessor emeritiert in Chemie und Biochemie an der Ohio State University.

„Eisenverbindungen sind entscheidend für das reibungslose Funktionieren der zellulären Biochemie, und ihr Aufbau und Transport ist ein komplexer Prozess“, sagte Cowan. „Wir haben festgestellt, wie eine bestimmte Klasse von Eisen-Cofaktoren mithilfe einer komplexen molekularen Maschinerie von einem Zellkompartiment in ein anderes bewegt wird, sodass sie in mehreren Schritten der Zellchemie verwendet werden können.“

Eisen-Schwefel-Cluster sind eine wichtige Klasse von Verbindungen, die eine Vielzahl von Stoffwechselprozessen durchführen, wie z. B. die Unterstützung bei der Übertragung von Elektronen bei der Energieerzeugung und der Herstellung von Schlüsselmetaboliten in der Zelle sowie die Unterstützung bei der Replikation unserer genetischen Information.

„Aber wenn diese Cluster nicht richtig funktionieren oder wenn Schlüsselproteine ​​sie nicht bekommen können, dann passieren schlimme Dinge“, sagte Cowan.

Wenn es nicht funktionieren kann, kann das beschädigte Protein zu mehreren Krankheiten führen, darunter seltene Formen von Anämie, Friedreich-Ataxie (eine Störung, die fortschreitende Schäden am Nervensystem verursacht) und eine Vielzahl anderer metabolischer und neurologischer Störungen.

Um zu untersuchen, wie dieser wesentliche Mechanismus funktioniert, nahmen die Forscher zunächst einen Pilz namens C. thermophilum, identifizierten das interessierende Schlüsselproteinmolekül und produzierten große Mengen dieses Proteins zur Strukturbestimmung. Die Studie stellt fest, dass das Protein, das sie in C. thermophilum untersuchten, im Wesentlichen ein zellulärer Zwilling des menschlichen Proteins ABCB7 ist, das Eisen-Schwefel-Cluster in Menschen überträgt, was es zur perfekten Probe macht, um den Eisen-Schwefel-Cluster-Export in Menschen zu untersuchen.

Durch die Verwendung einer Kombination aus Kryo-Elektronenmikroskopie und Computermodellierung war das Team dann in der Lage, eine Reihe von Strukturmodellen zu erstellen, die den Weg beschreiben, den Mitochondrien verwenden, um die Eisen-Cofaktoren an verschiedene Orte im Körper zu exportieren. Während ihre Ergebnisse entscheidend sind, um mehr über die grundlegenden Bausteine ​​der zellulären Biochemie zu erfahren, sagte Cowan, er sei gespannt, wie ihre Entdeckung später Medizin und Therapeutika voranbringen könnte.

„Indem wir verstehen, wie diese Cofaktoren in menschlichen Zellen zusammengesetzt und bewegt werden, können wir die Grundlage dafür legen, wie Symptome bestimmter Krankheiten verhindert oder gelindert werden können“, sagte er. „Wir können dieses grundlegende Wissen auch als Grundlage für weitere Fortschritte im Verständnis der Zellchemie nutzen.“