Forscher beobachten Details der Schaltung des Ras-Proteins

Daniel Mann, Klaus Gerwert und Carsten Kötting (von links) nutzten unter anderem Computersimulationen, um herauszufinden, in welchem Zustand sich der Bindungspartner des Ras-Proteins befindet. © RUB, Kramer

Wie Krebs entstehen kann

Ras-Proteine funktionieren wie kleine Schalter: Abhängig davon, ob sie Guanosin-Triphosphat (GTP) oder Guanosin-Diphosphat (GDP) gebunden haben, sind sie an- oder ausgeschaltet. Die Bindung an GTP setzt komplexe Signalwege in Gang, die im Zellkern münden und dort die Zellteilung einleiten. Ras-Proteine werden anschließend wieder inaktiviert, indem sie vom gebundenen Molekül Guanosin-Triphosphat eine Phosphat-Gruppe abspalten und so Guanosin-Diphosphat erzeugen.

Wird dieser Prozess gestört, zum Beispiel durch Mutationen im Ras-Protein, verweilt Ras in seinem aktiven Zustand, und es kann sich durch anhaltende Zellteilung ein Tumor bilden. „Mehr als 30 Prozent aller Tumore tragen eine Mutation des Ras-Proteins“, erläutert Dr. Daniel Mann vom Forscherteam. „Die Spaltungsreaktion von GTP in Ras ist also der Schlüssel zum Verständnis zahlreicher Krebsarten.“

Wie viele Wasserstoffe?

Um die GTP-Spaltungs-Reaktion in Ras zu verstehen, brauchen die Forscher ein genaues Bild des Startpunktes, also wie genau GTP gebunden an Ras aussieht. Dazu gehört die Frage, ob die drei Phosphatgruppen des GTP-Moleküls Wasserstoffatome besitzen, da sie als Säure wirken und zum Beispiel gelöst in Wasser ein Wasserstoffatom tragen.

Wasserstoff lässt sich allerdings mit den üblichen Verfahren wie der Röntgenkristallographie meist nicht direkt messen. Die chemischen Reaktionen einer Spaltung von GTP mit oder ohne angebundenen Wasserstoff unterscheiden sich jedoch erheblich. Es wurde bisher allgemein vermutet, dass die Phosphat-Gruppen von GTP gebunden an Ras frei von Wasserstoffatomen sind. Diese Annahme beruht aber nicht auf direkten Messungen, sondern auf der Interpretation von Veränderungen in gemessenen Infrarot- und Kernspinresonanz-Spektren.

Zweifel an verbreiteter Annahme

Neue Untersuchungen mittels Neutronenbeugung an dem GTP-ähnlichen Stoff GppNHp führten kürzlich zu Zweifeln an dieser bisher allgemein akzeptierten Hypothese. Dabei ergaben sich Hinweise darauf, dass GTP möglicherweise doch Wasserstoffatome enthalten könnte. „Das hat alle bisherigen Vorstellungen der GTP-Spaltung in Frage gestellt“, so Privatdozent Dr. Carsten Kötting.

3D-Filme mit subatomarer Auflösung

Die RUB-Forscher führten weitergehende Messungen durch, um erstmals sowohl Infrarotspektren des in der Neutronenbeugung verwendeten GppNHp als auch Spektren des natürlichen GTP in Ras aufzunehmen. Damit war ein direkter Vergleich mit der Neutronenbeugung möglich, aber auch ein Vergleich mit einer Umgebung, die der menschlichen Zelle sehr nahe kommt. „Die gemessenen Infrarot-Daten ermöglichen es, molekulare Reaktionen mit höchster zeitlicher und räumlicher Auflösung zu entschlüsseln“, so Klaus Gerwert. „Allerdings sind die Informationen in Infrarot-Spektren codiert und somit schwer zu interpretieren.“

Für die Dekodierung verwendeten die RUB-Forscher ein Verfahren, um experimentelle Daten wie Infrarot-Spektren und Kernspin-Spektren aus gekoppelten quantenmechanischen/molekularmechanischen Simulationen zu berechnen. „Stimmen die berechneten Spektren mit den experimentell gemessenen überein, können wir die experimentell ermittelten Zahlen in dreidimensionale Filme übersetzen“, so Daniel Mann.

Hypothese bestätigt

Diese Filme haben eine Auflösung jenseits eines Zehntels eines Atomdurchmessers. „Mit dieser Präzision war es dann endlich möglich, den genauen Wasserstoffgehalt von GTP gebunden an das Ras-Protein zu ermitteln: Die Phosphatgruppen von GTP tragen in der Tat keine Wasserstoff-Atome“, fasst Klaus Gerwert zusammen.

Originalpublikation

Daniel Mann, Jörn Güldenhaupt, Jonas Schartner, Klaus Gerwert, Carsten Kötting: The Protonation States of GTP and GppNHp in Ras Proteins, in: Journal of Biological Chemistry, 2018, DOI: 10.1074/jbc.RA117.001110, http://www.jbc.org/content/293/11/3871

Pressekontakt

PD Dr. Carsten Kötting
Lehrstuhl für Biophysik
Ruhr Universität Bochum
Tel.: 0234 32 24873
E-Mail: carsten.koetting@rub.de

Prof. Dr. Klaus Gerwert
Lehrstuhl für Biophysik
Ruhr Universität Bochum
Tel.: 0234 32 24461
E-Mail: gerwert@bph.rub.de

Media Contact

Meike Drießen idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Informationen:

http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Graphen-Forschung: Zahlreiche Produkte, keine akuten Gefahren

«Graphene Flagship» nach zehn Jahren erfolgreich abgeschlossen. Die grösste je auf die Beine gestellte EU-Forschungsinitiative ist erfolgreich zu Ende gegangen: Ende letzten Jahres wurde das «Graphene Flagship» offiziell abgeschlossen. Daran…

Wie Bremsen im Gehirn gelockert werden können

Forschende lokalisieren gestörte Nervenbahnen mithilfe der tiefen Hirnstimulation. Funktionieren bestimmte Verbindungen im Gehirn nicht richtig, können Erkrankungen wie Parkinson, Dystonie, Zwangsstörung oder Tourette die Folge sein. Eine gezielte Stimulation von…

Wärmewende auf der GeoTHERM erleben

Als Innovationspartner in Sachen Wärmewende für Industrie und Kommunen stellt sich das Fraunhofer IEG auf der internationalen Fachmesse GeoTHERM vor. Auf seiner Ausstellungsfläche in Offenburg stellt es ab dem 29….

Partner & Förderer