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TUM-Forscher analysieren Proteinstruktur: Wie kommt der Sauerstoff ins Myoglobin?

16.03.2000 - (idw) Technische Universität München

Myoglobin ist ein kleines Protein, das den Sauerstoff im Muskel speichert, der vom roten Blutfarbstoff Hämoglobin von der Lunge in alle Bereiche des Körpers transportiert wird. Myoglobin gilt als das "Wasserstoffatom des Biophysikers". Es dient als Modell, um generelle Regeln der Physik der Proteine zu studieren. Ein besseres Verständnis der Proteinphysik wird in Zukunft zu einem besseren Verständnis der molekularen Vorgänge führen, die im menschlichen Körper ablaufen und damit einen Beitrag für die Medizin leisten.

In der Ausgabe vom 9. März 2000 berichtet "Nature" unter dem Titel "Ligand Binding and Conformational Motions in Myoglobin" von den neuesten Ergebnissen einer Zusammenarbeit von Arbeitsgruppen der TU München in Garching (Physik-Department E 17; Prof. Fritz G. Parak und Dipl.Biol. Andreas Ostermann) und der Universität Ulm.

Im Zentrum dieser Arbeit steht die Frage: Wie hängen Struktur, Strukturdynamik und Funktion im Myoglobin zusammen? Die Funktion ist klar: Speicherung eines Sauerstoffmoleküls am Eisenion der sogenannten Hämgruppe im Zentrum des Proteins bis zu dem Zeitpunkt, zu dem es für den Stoffwechsel benötigt wird. Betrachtet man eine hochaufgelöste Röntgenstruktur von Myoglobin, so erkennt man ein Problem: Es gibt keinen Kanal, der dem Sauerstoff einen Zugang zu seinem Bindungsplatz am Hämeisen erlaubt. Offensichtlich sind Strukturfluktuationen nötig, um Türen ins Innere des Proteins zu öffnen, durch die der Sauerstoff zur Bindungsstelle gelangen kann. Die aktuellen Arbeiten geben Einsichten in die strukturellen Details der Wanderung des Gasmoleküls im Proteininneren.

In den aktuellen Arbeiten werden einige Kunstgriffe verwendet, um das geschilderte Problem zu lösen. Zum einen wird an Stelle von Sauerstoff Kohlenmonoxid (CO) an das Eisen gebunden. Die Bindung lässt sich durch einen Laserblitz leicht spalten. Man verfolgt dann, wie das CO seinen Bindungsplatz verlässt und sich im Protein bewegt. Wesentlich war aber ein weiterer Trick: für die Untersuchungen wurde nicht das natürliche Myoglobin verwendet. Vielmehr wurde das Protein gentechnisch so modifiziert, dass die Aminosäure Nr. 29, ein Leucin, durch ein Tryptophan ersetzt wurde. Dadurch wird die Rückbindung des CO nach dem Abblitzen drastisch verlangsamt, was die Messung präziser Röntgenstrukturanalysen von Zwischenzuständen ermöglicht. Durch Temperaturabsenkung gelang es, Schnappschüsse der Proteinstruktur in verschiedenen Stadien der Bewegung aufzunehmen und so eine Art Film zu erstellen, der den Weg des CO-Moleküls durch das Protein beschreibt. Dafür war es entscheidend, die richtigen experimentellen Bedingungen zu finden. Die Ergebnisse konnten nur durch eine enge Zusammenarbeit einer spektroskopisch orientierten Arbeitsgruppe und einer Röntgenstrukturgruppe erzielt werden.

Zusammen mit den Kollegen aus Ulm wurden in der Biophysik am Physik-Department der TUM in Garching Tieftemperatur-Röntgenstruktur-Untersuchungen bei 105 K durchgeführt. Dabei wurde die Photolyse des CO-Moleküls bei Temperaturen sowohl unter 180K als auch über 180K durchgeführt. Die Ergebnisse unterscheiden sich drastisch. Bei der Photolyse unterhalb von 180K bleibt die Struktur des Moleküls unverändert. Bei einer CO-Photolyse bei Temperaturen oberhalb von 180K dagegen verändert sich die Proteinstruktur. Die damit verbundene Flexibilität des Moleküls erlaubt den Eintritt eines Wassermoleküls von außen und eine weitere CO-Lage innerhalb des Myoglobinmoleküls. Computersimulationen hatten diesen Zwischenstop des CO auf dem Weg nach außen vorhergesagt.

Welche Physik liegt dem unterschiedlichen Verhalten unter und über 180K zugrunde? Seit vielen Jahren wird am Physik-Department die Proteindynamik mit Hilfe des Mößbauer-Effekts am Hämeisen des Myoglobins untersucht. Es zeigte sich, dass sich unterhalb 180K die wesentlichen Bewegungsamplituden durch harmonische Schwingungen (darstellbar als Normalmoden) beschreiben lassen. Oberhalb 180K zeigt die Linienform der Mößbauerspektren das Einsetzen von diffusiven Bewegungen in einem limitierten Raumbereich. Bereiche des Proteins machen diffusionsartige Bewegungen um die aus Röntgenuntersuchungen erhaltene mittlere Struktur. Es ist diese Art von Bewegungen, die Kanäle öffnet, um dem CO oder dem Sauerstoff den Zugang ins Myoglobininnere zu ermöglichen. Sie sind das "Gleitmittel" für die beschriebenen Strukturänderungen.


Kontakt:
Prof. Dr. Fritz Parak
Fakultät für Physik, E17, der TUM in Garching
Tel: 089/289-12551; Fax: 089/289-12548
e-mail: fgp@hexa.e17.physik.tu-muenchen.de
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