Protein

Nobelpreis für Chemie 2018: Darwins Prinzipien im Reagenzglas oder "Gerichtete Evolution von Enzymen"

Do, 04.10.2018 - 14:03 — Inge Schuster

Inge SchusterIcon ChemieEine Revolution, die auf Evolution basiert - so kündigte Claus Gustafsson, Vorsitzender des Nobel-Komitees die bahnbrechenden Arbeiten zur "Gerichteten Evolution von Enzymen und Bindungsproteinen" an, die gestern mit dem Nobelpreis 2018 für Chemie ausgezeichnet wurden. Eine Hälfte des Preises ging an Frances H. Arnold, die mit Hilfe evolutionärer Methoden Enzyme optimiert und neu designt, sodass sie auch in der Natur noch unbekannte Reaktionen ausführen. Die andere Hälfte ging an George P. Smith und Sir Gregory P. Winter für die Methode des Phagen-Display, die von eminenter Bedeutung für die Herstellung von Biopharmaka, insbesondere von hochspezifischen Antikörpern ist. In Hinblick auf die Länge des Artikels wird im Folgenden nur über die Arbeiten von France H. Arnold berichtet.

Cytochrom P450-Enzyme: Tausendsassas in allen Bereichen unserer Biosphäre

Icon MedizinCytochrom P450 (abgekürzt CYP) ist der Sammelname für eine Superfamilie an Enzymen, die sich in praktisch allen Lebensformen unserer Biosphäre finden – in Mikroorganismen ebenso wie in Pflanzen und Tieren. Mit ihrer Fähigkeit unterschiedlichste organische Verbindungen zu oxydieren generieren diese Enzyme eine ungeheure Vielzahl und Vielfalt von Produkten, die entscheidend in Aufbau und Regulierung der Spezies eingreifen und damit zu deren Überleben, aber auch zu deren Evolution beitragen. CYP-gesteuerte Prozesse, die den Abbau von Fremdstoffen – Entgiftung - und die Synthese und Abbau körpereigener Signalmoleküle ermöglichen, sind von zentraler Bedeutung für alle Sparten der Lebenswissenschaften und Anwendungen der Biotechnologie. In die öffentliche Wahrnehmung und in die Lehrpläne unserer Schulen und Hochschulen haben derartige Inhalte aber noch kaum Eingang gefunden.

Inge SchusterVor 55 Jahren wurde erstmals über ein enzymatisch aktives Protein in der Leber berichtet, das (wie beispielsweise das Hämoglobin) eine Hämgruppe enthielt – d.i. einen Komplex von Porphyrin mit Eisen als Zentralatom („Protoporphyrin IX“) - und dementsprechend zur Klasse der Cytochrome gezählt wurde. Wurde Kohlenmonoxid an das Eisen des Proteins gebunden, so zeigte der Komplex eine ungewöhnliche Lichtabsorption mit einem Peak bei der Wellenlänge 450 nm, die zu der Bezeichnung Cytochrom P450 führte.

Porträt eines Proteins. — Die Komplexität lebender Materie als Vermittlerin zwischen Wissenschaft und Kunst

Icon ChemieMit der Feststellung, daß unser Verständnis der materiellen Beschaffenheit der Welt vor allem auf unseren Kenntnissen der Kristallographie gründet , hat die Generalversammlung der Vereinten Nationen das Jahr 2014 zum Internationalen Jahr der Kristallographie erklärt. Die Kristallstruktur eines Moleküls ermöglicht über dessen 3D-Bild hinaus auch Einblicke in seine Funktion. Dieses komplexe System einfach und deutlich zu veranschaulichen erinnert an die Kunst eines Porträtisten, dessen Bild auch über den Charakter des Dargestellten Auskunft gibt. Das Porträt des Proteins Aquaporin-1 macht erkennbar, wie es den essentiellen Durchtritt von Wasser durch die Membranen der Lebewesen ermöglicht.

Gottfried SchatzDie Neue Nationalgalerie von Berlin hütet in ihrem Untergeschoss einen besonderen Schatz - Oskar Kokoschkas Porträt seines Freundes und Förderers Adolf Loos (Abbidung 1, beigefügt von Redaktion). Dieses expressionistische Meisterwerk lässt tief in die Seele des grossen Architekten blicken. Zwar lassen weder der angedeutete Rumpf noch der träumende Blick den kämpferischen Neuerer erkennen, doch die übergross gemalten, fiebrig ineinander verschlungenen Hände verleihen diesem Bild eine hypnotische Kraft. Sie sprechen von Zweifeln und inneren Stürmen und sind dennoch die entschlossenen Hände eines Homo Faber, der Grosses baut.

Ein Regelbruch in der Proteinchemie

Icon ChemiePeter SwetlyWas ist ein Leben ohne Regeln? Ist es die große Freiheit? Regeln erlauben das Miteinander von Individuen und das Zusammenleben in Gemeinschaften. Wissenschaft, im besonderen Naturwissenschaft, ist auf Regeln angewiesen, entfaltet sich innerhalb der Regeln – und bricht diese manchmal. So sind einige Regeln kurzlebig, andere überdauern Jahrhunderte. Ein Beispiel von langer Haltbarkeit ist eine Regel der Biochemie: „Die Struktur eines Proteins bestimmt dessen Funktion.“ Diese Regel gilt seit über 50 Jahren.

In den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts ist es gelungen, die Struktur von Proteinen auf verschiedenen Ebenen zu charakterisieren.

Zunächst gelang es die Primärstruktur von Proteinen aufzuklären. Proteine sind Aminosäureketten1, wobei die zwanzig natürlichen Aminosäuren linear aneinander gereiht und durch chemische Koppelung miteinander verbunden sind. Die Reihenfolge der Aminosäuren in der Proteinkette stellt nun die Grundlage für eine geordnete räumliche Struktur der Proteine dar. Durch Kristallisation der Proteine und durch Röntgenstrukturanalyse dieser Kristalle gelang es, die dreidimensionale Figur vieler Proteine bis in atomare Dimensionen genau nachzubilden.

Diese Methoden wurden in den letzten 50 Jahren schrittweise verfeinert, sodass einige tausend Proteine in ihrer räumlichen Struktur erfasst und beschrieben sind.

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