Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn zwei sich binden - auch bei Proteinen muss das Äußere stimmen

13.06.2008
Proteine - die molekularen Maschinen unserer Zellen - besitzen einen entscheidenden Unterschied gegenüber technischen Maschinen, wie wir sie aus unserem Alltag kennen.

Je nach Aufgabe, die sie erfüllen, können Proteine ihre Struktur innerhalb winzigster Bruchteile von Sekunden anpassen. Aber auch bei der Zusammenarbeit mit anderen Proteinen zählt die äußere Form. Anders als bisher angenommen, werden jedoch nicht alle Proteine zunächst von ihrem Partner passgenau zurechtgebogen.


Das Ubiquitin besitzt ein großes Repertoire an Passformen, mit dem es an seine Proteinpartner bindet. Durch Einsatz verschiedener Lösungsmedien, die sich wie Flüssigkeitskristalle verhalten (grau), lässt sich die Bewegung von Ubiquitin aus verschiedenen Blickwinkeln wie mit Schnappschüssen festhalten. Gunnar Schröder / MPIbpc

Es gibt Proteine, die ihre Struktur ständig ändern und dabei auch ganz ohne fremde Hilfe "in Form" kommen. Dies hat ein Wissenschaftler-Team vom Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie herausgefunden, indem sie einen wahren Verwandlungskünstler unter den Proteinen untersuchten - das Ubiquitin. Den Forschern gelang es erstmals, Bewegungen des Proteins im Bereich von milliardstel bis millionstel Sekunden sichtbar zu machen. (Science, 13. Juni 2008)

Molekulare Maschinen sind die Hauptakteure bei der Umsetzung lebenswichtiger Prozesse in unserem Körper. Ihre komplexen Aufgaben, etwa als Enzyme, Transport- oder Signalmoleküle, können sie aber nur dann erfüllen, wenn ihre Bausteine - eine oder mehrere Aminosäureketten - sich nach der Produktion in die richtige Struktur falten. Die Proteinstruktur ist alles andere als starr und ändert sich bereits in winzigen Bruchteilen von Sekunden. Nur so können Proteine, meist in Zusammenarbeit mit anderen Proteinen, ihre komplexen Aufgaben in der Zelle erfüllen. Perfekt wie Schlüssel und Schloss passen Proteine allerdings nur selten zusammen. Vielmehr gilt: Was nicht passt, wird passend gemacht. Das Protein wird vom Partner regelrecht in Form gebogen.

... mehr zu:
»Protein »Ubiquitin »Wechselwirkung

Doch gilt dies für alle Proteine, die miteinander wechselwirken? Zunehmend diskutieren Wissenschaftler auch ein anderes Modell. Proteine könnten durch ständige Bewegungen das benötigte Repertoire an Passformen auch zufällig erzeugen. Wie ein Schlüsselbund, der für jedes Schloss den passenden Schlüssel parat hat, steckten so die Passformen bereits im Protein selbst. Passt eine dieser Formen dann zufällig zu einem seiner Partner, so binden die beiden Proteine aneinander. Doch wie lassen sich solche Bewegungen beobachten?

Schnappschüsse von Proteinbewegungen im Nano- bis Mikrosekundenbereich

Damit sich die Form eines Proteins ändert, müssen sich seine molekularen "Zahnräder", Molekülgruppen und Aminosäuren, entsprechend bewegen. Messen konnten Wissenschaftler bisher Bewegungen, die innerhalb von Nanosekunden (milliardstel Sekunden) oder sogar noch schneller ablaufen, sowie langsamere Bewegungen im Mikrosekunden- bis Millisekundenbereich. Viele Proteinbewegungen, ebenso wie viele biochemische Prozesse, laufen aber gerade im Bereich zwischen Nano- und Mikrosekunden ab - ein Bereich, der bisher mit keiner Methode beobachtbar war. Einem Team von Strukturbiologen und Biophysikern des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie gelang es nun, diese "Beobachtungslücke" zu schließen. Erstmals konnten die Wissenschaftler Bewegungen einzelner Zahnräder eines Proteins in diesem bisher unzugänglichen Zeitfenster sichtbar machen.

Als Untersuchungsobjekt diente den Forschern das Ubiquitin, ein wahrer Verwandlungskünstler unter den Proteinen, das nicht nur sein Äußeres, sondern auch seine Partner häufig wechselt. Ubiquitin ist Teil eines ausgeklügelten Recycling-Systems, das beschädigte oder ausgediente Proteine in ihre Bestandteile zerlegt und wiederverwertet. Als eine Art Aufkleber markiert es Proteine als zellulären "Müll". Derart markierte Proteine werden dann im zentralen "Müllschredder" der Zelle - dem Proteasom - in ihre Bausteine zerhackt. Bereits 46 verschiedene Strukturen von Ubiquitin sind bekannt, in 21 dieser Strukturen bindet Ubiquitin an jeweils andere Partner. Die spannende Frage beantworten diese strukturellen Momentaufnahmen allerdings nicht: Verändert Ubiquitin sein Äußeres spontan, oder wird ihm die Form von seinem jeweiligen Bindungspartner aufgezwungen?

Um diese Frage zu beantworten, kombinierten die Wissenschaftler um Bert de Groot, Christian Griesinger und Helmut Grubmüller eine Fülle von Kernspinresonanzspektroskopie-Experimenten mit Molekulardynamik-Simulationen. Durch trickreichen Einsatz verschiedener Lösungsmedien, die sich wie schwache Flüssigkristalle verhalten und dadurch dem Ubiquitin eine Vorzugsorientierung aufzwingen, konnten sie die Bewegung von Ubiquitin gewissermaßen aus verschiedenen Blickwinkeln wie mit Schnappschüssen festhalten. Mit Moleküldynamiksimulationen ließ sich daraus anschließend die Bewegung rekonstruieren. "Wir sehen, dass alle 46 bekannten Strukturen des Ubiquitins auch schon in Lösung vorhanden sind, so als ob Ubiquitin seine Bindungspartner erwarte und vorauseilend die richtige Bindungskonformation einnähme", erläutert Christian Griesinger. Dabei bewegt sich nicht das ganze Protein. "Bewegung sehen wir vor allem an den Kontaktstellen, mit denen es an andere Proteine bindet", so Griesinger.

Neuer Mechanismus für molekulare Erkennung

Zumindest für Ubiquitin muss das Lehrbuch-Kapitel über Wechselwirkungen zwischen Proteinen nun umgeschrieben werden. Dass es ständig sein Äußeres ändert, kann leicht erklären, warum es zu einer Vielzahl unterschiedlichster Proteine passt. Eine Ausnahme unter den Proteinen sei das Ubiquitin damit aber vermutlich nicht, sagt Bert de Groot. Die Forscher vermuten, dass neben dem Ubiquitin auch weitere Proteine spontan ihre Form ändern. Es könne ein ganz generelles Modell für molekulare Erkennung sein, so de Groot. Lediglich trockener Lehrbuchstoff sind die neuen Erkenntnisse der Forscher jedoch keineswegs. Wechselwirkungen von Proteinen spielen bei zahlreichen Prozessen der Zelle eine entscheidende Rolle, unter anderem bei der Signal-Weiterleitung zwischen Zellen. Ist diese gestört, weil bestimmte Proteine nicht mehr zusammenarbeiten, sind die Folgen oft fatal. Die neuen Methoden der Forscher könnten dazu beitragen, zumindest einige dieser Störungen besser zu verstehen. Auch die Wirkung vieler Arzneimittel beruht auf Wechselwirkungen zwischen Proteinen oder Proteinen mit anderen Molekülen. Die Wissenschaftler untersuchen derzeit, ob die neuen Erkenntnisse genutzt werden können, Medikamente in ihrer Wirksamkeit noch spezifischer zu machen.

Kontakt:
Dr. Bert de Groot,
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie,
Tel. +49 551 201-2308,
Fax +49 551 201-2302,
E-Mail: bgroot@gwdg.de
Prof. Dr. Christian Griesinger
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie,
Tel. +49 551 201-2200,
Fax +49 551 201-2202,
E-Mail: cigr@nmr.mpibpc.mpg.de
Dr. Carmen Rotte, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit,
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie,
Tel. +49 551 201-1304,
Fax +49 551 201-1151,
E-Mail: pr@mpibpc.mpg.de
Weitere Informationen:
Die Forschungsgruppe Computergestützte biomolekulare Dynamik
http://www.mpibpc.gwdg.de/groups/de_groot
Die Abteilung NMR-basierte Strukturbiologie
http://www.nmr.mpibpc.mpg.de
Die Abteilung Theoretische und computergestützte Biophysik
http://www.mpibpc.gwdg.de/groups/grubmueller

Dr. Carmen Rotte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpibpc.mpg.de/groups/pr/PR/2008/08_12/

Weitere Berichte zu: Protein Ubiquitin Wechselwirkung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der erste Blick auf ein einzelnes Protein
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

nachricht Unterschiedliche Rekombinationsraten halten besonders egoistische Gene im Zaum
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der erste Blick auf ein einzelnes Protein

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zur Sicherheit: Rettungsautos unterbrechen Radio

18.01.2017 | Verkehr Logistik