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Die Translokation von gelösten Stoffen über zelluläre Membranen ist ein essentieller biologischer Prozess, der durch eine Vielfalt an integralen Membranproteinen vermittelt wird. Diese sind in den selektiven Austausch verschiedenster Stoffe bzw. Teilchen involviert und ermöglichen somit die Kommunikation zwischen den einzelnen Zellkompartimenten untereinander bzw. mit der extrazellulären Umgebung. Eine der größten Familien paraloger Proteine, die den vektoriellen Transport von Substanzen über Zellmembranen katalysieren, stellen die ATP‐binding cassette (ABC)‐Transporter dar. Mitglieder dieser Proteinfamilie sind in allen bisher untersuchten Organismen von Prokaryoten bis hin zu höheren Eukaryoten vertreten und übernehmen essentielle Funktionen in einer Vielzahl von zellulären Abläufen. ABC‐Transporter zeichnen sich durch eine breite Substratdiversität aus, d.h. sie energetisieren unter ATP‐Verbrauch die Translokation zahlreicher, strukturell und chemisch unterschiedlicher Substanzen wie Zucker, Lipide, Ionen, Aminosäuren, Proteine oder auch zelltoxische Stoffe. In Bakterien können sie sowohl als Importproteine fungieren, welche hauptsächlich die Aufnahme von Nährstoffen vermitteln, als auch als Exportproteine, deren Hauptaufgabe es ist, zelltoxische Substanzen aus der Zelle heraus zu schleusen. Eukaryotische ABC‐Transporter sind sowohl in der Plasmamembran als auch in den intrazellulären Membranen zu finden – beispielsweise in denen des Endoplasmatischen Retikulums, des Golgi Apparats, der Lysosomen, der Peroxisomen und der Mitochondrien. Sie fungieren als Exportproteine und sind z.B. an der Ionen‐Homöostase, der Antigenprozessierung, der Insulinfreisetzung oder am Cholesterol‐ und Lipidtransport beteiligt. ...
The ATP-binding cassette half-transporter Mdl1 from Saccharomyces cerevisiae has been proposed to be involved in the quality control of misassembled respiratory chain complexes by exporting degradation products generated by the m-AAA proteases from the matrix. Direct functional or structural data of the transport complex are, however, not known so far. After screening expression in various hosts, Mdl1 was overexpressed 100-fold to 1% of total mitochondrial membrane protein in S. cerevisiae. Based on detergent screens, Mdl1 was solubilized and purified to homogeneity. Mdl1 showed a high binding affinity for MgATP (Kd = 0.26 μm) and an ATPase activity with a Km of 0.86 mm (Hill coefficient of 0.98) and a turnover rate of 2.6 ATP/s. Mutagenesis of the conserved glutamate downstream of the Walker B motif (E599Q) or the conserved histidine of the H-loop (H631A) abolished ATP hydrolysis, whereas ATP binding was not affected. Mdl1 reconstituted into liposomes showed an ATPase activity similar to the solubilized complex. By single particle electron microscopy, a first three-dimensional structure of the mitochondrial ATP-binding cassette transporter was derived at 2.3-nm resolution, revealing a homodimeric complex in an open conformation.
ATP-binding cassette (ABC) systems translocate a wide range of solutes across cellular membranes. The thermophilic Gram-negative eubacterium Thermus thermophilus, a model organism for structural genomics and systems biology, discloses ∼46 ABC proteins, which are largely uncharacterized. Here, we functionally analyzed the first two and only ABC half-transporters of the hyperthermophilic bacterium, TmrA and TmrB. The ABC system mediates uptake of the drug Hoechst 33342 in inside-out oriented vesicles that is inhibited by verapamil. TmrA and TmrB form a stable heterodimeric complex hydrolyzing ATP with a Km of 0.9 mm and kcat of 9 s−1 at 68 °C. Two nucleotides can be trapped in the heterodimeric ABC complex either by vanadate or by mutation inhibiting ATP hydrolysis. Nucleotide trapping requires permissive temperatures, at which a conformational ATP switch is possible. We further demonstrate that the canonic glutamate 523 of TmrA is essential for rapid conversion of the ATP/ATP-bound complex into its ADP/ATP state, whereas the corresponding aspartate in TmrB (Asp-500) has only a regulatory role. Notably, exchange of this single noncanonic residue into a catalytic glutamate cannot rescue the function of the E523Q/D500E complex, implicating a built-in asymmetry of the complex. However, slow ATP hydrolysis in the newly generated canonic site (D500E) strictly depends on the formation of a posthydrolysis state in the consensus site, indicating an allosteric coupling of both active sites.