Struktur der ribosomalen 50S Untereinheit von
Deinococcus radiodurans

50S Struktur 198x, BalsamodelEnde der 80er Jahre wurde zum ersten Mal der Tunnel in der großen ribosomalen Untereinheit strukturell bestimmt, wenn auch mit einer Auflösung von 20-40Å. Da ließ sich allenfalls entscheiden (oder spekulieren) ob der Tunnel nun existiert oder nicht. Die Elektronenmikroskopie lieferte dann auch schrittweise höhere Auflösungen. Rechts: Ein frühes 50S Model aus Balsaholz-Schichten.

Nachdem die Auflösung unserer 50S Kristalle von Thermus thermophilus und Bazillus stearothermophilus nicht in den Bereich der gewünschten Auflösung (mindestens 4.5Å) zu bekommen waren und sich trotz Auflösung von 3A und besser die Isomorphieprobleme unserer H50S nicht lösen liessen (Struktur später von T. Steitz Gruppe) gelang uns die Kristallisation der großen ribosomalen Untereinheit von Deinococcus radiodurans und die Lösung der Struktur.


Die Bakterienart Deinococcus radiodurans wurde in den frühen 50er Jahren in (zwecks Konservierung) bestrahlten Fleischkonserven gefunden. Sie überleben unter extremsten Bedingungen und wurden selbst in der Antarktis gefunden. 'Conan the bacterium' ist mittlerweile sogar bei dem NASA MARS-Kolonialisierungs Programm im Gespräch.

4 Zellen eines D.r.
Bild von
Renate Albrecht,
MPI f.m. Genetik,
Berlin

Diese Bakterien vereinigen so ziemlich alle bekannten Mechanismen um unter ungünstigsten Bedingungen zu überleben. Eine Besonderheit liegt in der Aufbewahrung der Gene. Deinococcus radiodurans besitzt mehrere weitgehend identische Kopien der Chromosomen, die auf vier separate Kompartments verteilt sind. Im Falle massiver Strahlenschädigung, vereinen sich die Kompartments der Zelle, so dass die zerstörte Information der DNA anhand der redundanten und unabhängigen Bruchstücke restauriert werden kann. Das Mass der Zerstörung wird weiter vermindert, durch eine sehr kompakte, ringförmige Speicherung der genetischen Information. Auf diese Weise kann Deinococcus radiodurans 1000fach stärkere Strahlendosen als jeder andere bekannte Organismus überleben.
Die Resistenz gegenüber hochradioaktiver Strahlung läßt sich leider nicht auf die Kristalle ihrer ribosomalen 50S Untereinheit übertragen (auch wenn des öfteren solche Vorschlage kamen). Dennoch zeigen die ellipsoid-förmigen Kristalle deutlich weniger Strahlenschädigung als die, auch von uns gemessenen, 50S Kristalle von Haloarcula marismortui oder die 30S Kristalle von Thermus thermophilus. In der Regel benötigt man einige Kristalle, um einen vollständigen Datensatz zu gewinnen. In vielen Fällen leidet die Datenqualität schon nach wenigen Aufnahmen, was sich in einer internen Unordnung der Kristalle und besonders im Fall der Kristalle von Haloarcula marismortui, durch eine stetig wachsende Veränderung der Einheitszelle bemerkbar macht.

Diese Probleme limitieren dann letztendlich die Qualität der Struktur. Trotzdem konnten wir die Struktur der 50S Untereinheit zu einer Auflösung von etwas 3Å lösen (über das Wie: siehe Proteinkristallographie). Das ist einerseits gar nicht so schlecht (besonders im Vergleich zur Elektronen-Mikroskopie), aber andererseit deutlich schlechter als die hochauflösenden Strukturen (<1Å) mancher Proteine. Für die meisten Ribosomenstrukturen liegt die Auflösung in diesem Bereich, Ausnahmen sind nur die 50S Struktur von T.Steitz (2.4Å, PubMed) und die 70S Struktur von H.Noller (~7Å, PubMed).

3Å, was bedeutet das ?? Also rein rechnerisch sind das 3*10-10m, oder 0.3nm. Als Vergleich: der Leiterbahnabstand in modernen CPUs oder DRAMS ist größer als 100nm als rund das 400fache der erzielten Auflösung. Eine menschliche Zelle hat je nach Ausprägung eine Grösse von 6.000-200.000nm. es ist also unschwer zu erkennen wie detailliert die Strukturinformation im Vergleich zu einem Blick durch das gewöhnliche Mikroskop ist.

Die Bindungslängen der Protein-Atome liegen zum Beispiel in der Größenordnung von 1.5Å, es ist also ganz klar, dass man individuelle Atome nicht erkennen kann. Sehr wohl erkennen kann man aber in vielen Fällen die einzelnen rRNA Basen oder Protein-Seitenketten. In vielen Fällen ist die Elektronendichte aber nicht detailliert genug, um selbst diese vergleichsweise groben Details eindeutig zu erkennen. Dies kann zum Beispiel eine Folge der Mobilität oder Flexibilität mancher ribosomaler Komponenten sein. Das kann aber natürlich auch eine Konsequenz der Strahlenschädigung oder Datenqualität sein, seufz ... nicht alles gestaltet sich so einfach, wie man es wünscht. Aber solange die Limiterierungen einer Struktur klar zutage liegen, kann man - besonders im Falle der Ribosomen - unendlich viel, neue Informationen aus dem strukturellen Aufbau gewinnen .... man muss sich nur hinsetzten und sich das genau ansehen, aber das ist eine ganz andere Geschichte ....


Ribosomale 50S Untereinheit von Deinococcus radiodurans

(L1, L7/12 und L10 sind lediglich zur Vervollständigung der BILDER eingefügt, sie spiegeln nicht den aktuellen Stand der Struktur wieder)



Sicht von der 30S Untereinheit

+90Grad, die L7/12 Seite



Rückseite, von der Lösung aus gesehen

+90Grad, die L1 Seite

Diese Bilder zeigt die 50S Einheit von vier verschiedenen, jeweils 90o gedrehten, Ansichten. Die Darstellung lehnt sich an die ersten Elektronen-Mikroskopie Rekonstruktionen des Ribosoms an. Damals, Anfang der 80er Jahre, hatte man nicht so detaillierte Kenntnisse über den Aufbau des Ribosoms, so dass man eine eher phänomologische Unterteilung des Ribosoms wählte. Die 5S Region wurde zum Beispiele Zentrale Protuberanz genannt, der L7/L12 Arm nannte sich stalk oder auf gut Deutsch Strunken. Bemerkenswert ist die Verteilung der ribosomalen Proteine, die fast ausschliesslich auf der Rückseite der 50S Untereinheit liegen (unten links). Die Seite die der 30S zugewandt ist (oben links), auf der somit praktisch alle Kontakte zwischen 30S und 50S im 70S Ribosom liegen, ist praktisch frei von Proteinen.

Das spiegelt sich auch in der Zusammensetzung des katalytischen Zentrums des Ribosoms, dem Peptidyl-Transferase-Zentrum wieder: dieses ist ebenfalls ausschliesslich aus 23S rRNA aufgebaut.


50S von D. r., Verteilung der Proteine und rRNA Domänen 

(L1, L7/12 und L10 sind lediglich zur Vervollständigung der BILDER eingefügt, sie spiegeln nicht den aktuellen Stand der Struktur wieder)



Sicht von der 30S Untereinheit
+90Grad, die L7/12 Seite


Rückseite, von der Lösung aus gesehen
+90Grad, die L1 Seite

Die 2D-Struktur der 23S rRNA wird traditionell in Domänen unterteilt. Im Gegensatz zur 16S rRNA, spiegelt diese sich nur sehr bedingt in der räumlichen Verteilung wieder. Die verschiedenen Domänen sind sehr stark untereinander vernetzt. So reicht Domäne 5 zum Beispiel von der West-Seite bis in den Fernen Osten (oben links). Der zentrale Bereich (der Peptidyl-Transferase-Ring) wird überwiegend durch Domänen 4 und 5 dargestellt ....

Modelle nach den deponierten Koordinaten 1KC9 (protein data bank), und etwas eigenem Wissen. Die Struktur wird beschrieben in:    'High Resolution Structure of the Large Ribosomal Subunit from a Mesophilic Eubacterium'. Joerg Harms et al., Cell, Nov.30, 2001: 107 (5), 679–688.

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