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Zelluläre und molekulare
biologische Strukturen und
Prozesse
Ziele der modernen Biologie sind, Mechanismen, die
Lebensprozessen zugrunde liegen, auf molekularer oder
zellulärer Ebene zu verstehen. Dabei sind die Kenntnis
der dreidimensionalen molekularen Struktur und die
Interaktion mit anderen Molekülen von entscheidender
Bedeutung. So werden einige der großen Herausforderungen
der nächsten Jahrzehnte die Aufklärung der
molekularen Mechanismen von Infektionskrankheiten,
der Krebsentstehung und der Funktion und Dysfunktion
des Nervensystems sein. Ebenfalls wird das aus
der Genomforschung hervorgegangene Arbeitsgebiet
der Proteomics eine wesentliche Bedeutung erlangen.
Neutronenstreuung kann hier wichtige Erkenntnisse
beisteuern, indem enzymatische Prozesse durch Proteinkristallographie
an isotopensubstituierten Proteinen
oder die Wechselwirkung verschiedener Komponenten
(Protein-Nukleinsäure oder Protein-Protein-Komplexe)
studiert werden. Die besondere Stärke der Neutronenstreuung
besteht darin, dass man durch Isotopensubstitution
molekularen Komponenten sichtbar machen und
Kontrast erzeugen kann (s. Abb. 2.12).
Grenzflächen zwischen Molekülen
Eine besondere Rolle kommt der Untersuchung von
Vorgängen an Grenzfl ächen zwischen Makromolekülen
zu, da dies in lebenden Systemen eine Vielzahl biologischer
und chemischer Prozesse umfasst. Ein herausragendes
Beispiel sind die biologischen Membranen,
für die das strukturelle und funktionelle Verständnis
der Membranproteine sowie deren Wechselwirkung mit
Molekülen auf beiden Seiten der Zellmembranen auch
auf absehbare Zeit eine der größten Herausforderungen
der modernen Biologie darstellt (s. Abb. 2.13).
Proteindynamik
Eine ebenso wichtige Rolle spielt das Verständnis der
Proteindynamik, bei der die interne Dynamik biologischer
Makromoleküle auf einer Pikosekundenzeit- und
Ångströmlängenskala untersucht werden. Im Bereich
von Proteinbindungsreaktionen wird die Wechselwirkungskinetik
biologischer Makromoleküle in Mikrosekunden
und bis zur atomaren Aufl ösung beobachtet.
Beispiel: biologischer Vorgang
Neutronen können komplementäre Beiträge zu den in
der Strukturbiologie weit verbreiteten Techniken wie
NMR oder Röntgen-/Synchrotronstreuung leisten und
liefern so Schlüsselinformationen zum Verständnis
komplexer biologischer Vorgänge. Als ein Beispiel
sei hier die Komplexbildung im Chaperon erläutert.
Chaperone (frz. le chaperon = die Kappe) sind große
makromolekulare Komplexe, die an der Faltung von
Proteinen beteiligt sind. Sie bestehen im E.coli Bakterium
aus den beiden Komplexen GroEL (14 Untereinheiten
à 60 kDa; 1 Da = Masse eines Kohlenstoffatoms)
und GroES (sieben Untereinheiten à 10 kDa), s. Abb.
2.14. Eine strukturell ähnliche Untereinheit wird auch
in einem Virus, dem so genannten T4-Phagen, gefunden:
das Molekül GP31. Dieses Makromolekül kann
das GroES im bakteriellen Chaperon ersetzen und er-
möglicht dann vermutlich präferentiell die Synthese und
korrekte Faltung eines anderen Phagenproteins (GP23).
Auf diese Art und Weise kann das Virus das bakterielle
Chaperon ‚umprogrammieren‘, so dass in diesem speziellen
Fall auch ohne Weitergabe von Erbinformation die
Produktion von Virusmaterial unterstützt wird.
Wie lässt sich der Prozess sichtbar
machen
Mittels Kontrastvariation (Austausch von 1 H gegen 2 H)
kann in sogenannten ‚chasing experiments‘ die Kinetik
der eben beschriebenen Komplexbildung verfolgt
werden. Das bedeutet im Prinzip, dass vermessen wird,
ob und wie schnell sich der virale GP31 Proteinkomplex
an die Stelle des bakteriellen GroES ‚schummeln‘
kann. Dies geschieht folgendermaßen: An die größere
bakterielle Untereinheit GroEL wird die Kappe aus
viralem GP31 oder bakteriellem GroES gebunden.
Diese Komplexe werden in einem Lösungsmittel aufgenommen,
dessen Streulängendichte der von deuteriertem
[ 2 H]GroES entspricht. Dann wird [ 2 H]GroES
im Überschuss zusammen mit ADP (einem Energielieferanten)
zugegeben und beobachtet, wie sich die
Streuung zeitabhängig verändert. Wird GP31 gegen die
deuterierte bakterielle Kappe [ 2 H]GroES ausgetauscht,
erscheint das Chaperon GroEL–[ 2 H]GroES kleiner als
der Komplex bestehend aus GroEL–GP31 oder Gro-
EL–GroES, da in dem gewählten Lösungsmittel das
[ 2 H]GroES ‚unsichtbar‘ ist (contrast matching). Aus
solchen Messungen ergibt sich, dass die Kappe des T4-
Phagen mit GroEL einen stabileren Komplex bildet als
das ursprüngliche bakterielle System GroEL–GroES.
Diese Langzeitstabilität der Verbindung aus bakteriellen
und viralen Makromolekülen kann somit die
korrekte Faltung des Phagenproteins GP23 unterstützen
und erklären, wie trickreich sich ein Phage vermehren
kann.
D 2
O
SO 4
Abb. 2.12. Beispiel für die 1,5 Å hochaufgelöste Kristallstruktur
von Myoglobin. Die atomare Dichtekarte zeigt
in blau (1,5 σ) und in rot (-2,0 σ) positive und negative
Streulängenbeiträge. Der Wasserstoff 1 H (rot) und, in der
Kontaktregion zwischen zwei Molekülen, das schwere
Wasser D 2
O sind deutlich zu sehen.
D 2
O
22 Komplexität: Biologie
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