Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

Das Forscherteam Carsten Kötting, Daniel Mann und Klaus Gerwert (von links) bereitet das Messgerät vor. Der Detektor des Spektrometers muss mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. © RUB, Marquard

G-Proteine sind zum Beispiel am Sehen, Riechen, Schmecken und an der Blutdruckregulation beteiligt. Sie sind Angriffspunkt für viele Medikamente.

„Ein detailliertes Verständnis ihrer Funktionsweise ist daher nicht nur von akademischem Interesse“, sagt Prof. Dr. Klaus Gerwert, Leiter des Lehrstuhls für Biophysik.

Er berichtet die Ergebnisse gemeinsam mit seinen Bochumer Kollegen Privatdozent Dr. Carsten Kötting und Daniel Mann im Biophysical Journal. Die Zeitschrift widmete dem Thema in der Ausgabe vom 10. Januar 2017 die Titelgeschichte

(http://www.cell.com/biophysj/issue?pii=S0006-3495%2816%29X0003-3).

G-Proteine als Krankheitsquelle

An alle G-Proteine kann das Molekül GTP binden. Spaltet ein Enzym eine Phosphatgruppe vom gebundenen GTP ab, wird das G-Protein ausgeschaltet. Diese sogenannte GTP-Hydrolyse läuft innerhalb von Sekunden im aktiven Zentrum der Enzyme ab. Funktioniert der Prozess nicht, kann das schwere Krankheiten auslösen, etwa Krebs, Cholera oder das seltene McCune-Albright-Syndrom, das sich zum Beispiel durch einen gestörten Knochenstoffwechsel auszeichnet.

Magnesium wichtig für Schaltmechanismus

Damit die GTP-Hydrolyse stattfinden kann, muss ein Magnesiumatom im aktiven Zentrum des Enzyms vorhanden sein. Das Forscherteam beobachtete erstmals direkt, wie das Magnesium Geometrie und Ladungsverteilung seiner Umgebung beeinflusst. Nach dem Ausschalten verbleibt das Atom in der Bindetasche des Enzyms. Bislang waren Forscher davon ausgegangen, dass das Magnesium die Tasche nach dem Schaltprozess verlässt.

Möglich machte die Erkenntnisse eine am RUB-Lehrstuhl für Biophysik entwickelte Methode. Sie erlaubt, enzymatische Prozesse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in ihrem natürlichen Zustand zu verfolgen. Es handelt sich dabei um eine besondere Form der Spektroskopie, die zeitaufgelöste Fourier-Transform-Infrarot-Differenzspektroskopie. Allerdings geben die damit gemessenen Daten keine Auskunft darüber, an welcher Stelle des Enzyms ein Prozess gerade stattfindet.

Diese Information gewinnen die Forscher durch quantenmechanische Computersimulationen von Strukturmodellen. „Erst mithilfe der Computersimulation können wir die in den Infrarotspektren versteckten Informationen decodieren“, erklärt Carsten Kötting. So wird der Computer quasi zum Mikroskop.

Wie Proteine das Ausschalten beschleunigen

In der aktuellen Studie zeigten die RUB-Biophysiker auch, wie das spezialisierte Proteinumfeld dazu beiträgt, die GTP-Hydrolyse zu beschleunigen. Sie untersuchten die Rolle der Aminosäure Lysin, die in vielen G-Proteinen an der gleichen Stelle positioniert ist. Sie bindet genau die Phosphatgruppe des GTP-Moleküls, von der beim Ausschalten des G-Proteins ein Phosphat abgespalten wird.

„Lysin hat die Aufgabe, negative Ladungen von der dritten Phosphatgruppe auf die zweite Phosphatgruppe zu übertragen und damit die GTP-Hydrolyse zu beschleunigen“, erklärt Daniel Mann. „Das ist ein weiterer wichtiger Ansatzpunkt, um langfristig Medikamente gegen Krebs und andere schwerwiegende Erbkrankheiten zu entwickeln.“

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 642.

Originalveröffentlichung

Daniel Mann, Udo Höweler, Carsten Kötting, Klaus Gerwert: Elucidation of Single Hydrogen Bonds in GTPases via Experimental and Theoretical Infrared Spectroscopy, in: Biophysical Journal, 2017, DOI: 10.1016/j.bpj.2016.11.3195

Pressekontakt

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

Privatdozent Dr. Carsten Kötting
Lehrstuhl für Biophysik
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 24873
E-Mail: carsten.koetting@rub.de

Media Contact

Dr. Julia Weiler 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

Wie entstehen Tics?

Charité-Team identifiziert Hirn-Netzwerk, das Tics auslöst. Ein Forschungsteam der Charité – Universitätsmedizin Berlin hat ein neuronales Netzwerk identifiziert, das für die Entstehung von Tic-Störungen verantwortlich ist. Eine Reizung dieses Netzwerks…

Schlaue Pakete fahren Bus und Bahn

Forschungsprojekt schafft Perspektiven für ländlichen Raum. Die Postkutsche brachte Pakete und Passagiere noch gemeinsam ans Ziel. Heute sind Güter- und Personenverkehr in Deutschland so gut wie immer strikt getrennt. Aber…

Neue Einblicke mit spezieller Laser-Messapparatur

Mit einer neuartigen, selbst entwickelten Laser-Messapparatur erzielten WissenschaftlerInnen der Universität Siegen neue Einblicke in eine besondere Art von Molekül-Verbindungen. Das völlig unterschiedliche Aroma von Minze und Kümmel wird von ein-…

Partner & Förderer