Details der Zellatmung im Visier

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Bochum, 18.10.1999
Nr. 239

Details der Zellatmung beobachten
Entfesselung von Molekülen startet die Reaktion
"Caged oxygen" wird durch Licht aktiviert


Mit der Zellatmung verhält es sich ähnlich wie mit einem
Akku: Der Zelle wird chemische Energie zugeführt, welche sie
dann in verschiedenen Reaktionen mit Hilfe von Proteinen für
energiezehrende Prozesse verfügbar macht. Die Energetik
dieser Vorgänge hat die Wissenschaft durchschaut - aber  in
den Akku hineinzuschauen ist bislang noch nicht gelungen.
Eine Gruppe von Bochumer Bio-physikern unter der Leitung von
PD Dr. Mathias Lübben (Lehrstuhl für Biophysik) hat sich
daher zum Ziel gesetzt, diese Details genauer unter die Lupe
zu nehmen. Dazu lassen sie in einem Spektrometer sehr
schnelle Reaktionen willkürlich ablaufen, indem sie
"gefesselte" Moleküle zum gewünschten Zeitpunkt freisetzen.
Das Projekt "Caged dioxygen als optischer Trigger des intra-
und intermolekularen Elektronentransfers bei Cytochrom c
Oxidasen" wird von der  Volkswagen-Stiftung drei Jahre lang
mit 246.000 DM unterstützt.
Wie Nano-Generatoren für Energie sorgen

Die Zellatmung ist der wichtigste Bestandteil des
Energiestoffwechsels, da sie für die Produktion des
Energieträgers ATP (Adenosintriphosphat) sorgt. Dazu ist
eine "protonenmotorische Kraft" (PMK) nötig, die durch
bestimmte Membranproteine, sogenannte Biokatalysatoren, beim
enzymatischen Transport von Protonen aufgebaut wird. Diese
Katalysatoren funktionieren wie Protonenpumpen, also
Nano-Maschinen, deren Aufgabe es ist, die in Nährstoffen
enthaltene chemische Energie durch aktiven Protonentransport
umzuwandeln und so für energiezehrende Prozesse verfügbar zu
machen. Die Bochumer Forscher widmen sich besonders der
Häm-Kupfer-Cytochromoxidase, die den eigentlichen
Verbren-nungsschritt der Zellatmung ausmacht. Sie setzt
biochemisch gebundenen Wasserstoff mit molekularem
Sauerstoff zu Wasser um. Die dabei freiwerdende Energie wird
zum Aufbau der PMK genutzt. Sie funktioniert also wie ein
Generator, der den elektrischen Ionenstrom zum Aufladen
einer mikroskopischen Batterie nutzt. Der entscheidende
Schritt der Reaktion ist die Leitung der Protonen durch
Kanäle im Inneren des Proteins. 

Reaktion auf Knopfdruck durch gefesselte Moleküle

Um dieses Phänomen zu beobachten, untersuchen die Forscher
das aus der Membran herausgelöste und gereinigte Protein mit
verschiedenen spektroskopischen Techniken, besonders der
Infrarot-Spektroskopie ("Fourier-Transform
Infra-rot-spektroskopie"="FTIR"). Diese Methode liefert
durch die Beobachtung molekularer Schwingungen ein
dynamisches Bild des aktiven Moleküls, so dass sie das
Reak-tions-geschehen direkt verfolgen können. Voraussetzung
dafür ist allerdings, das Protein vom ruhenden in den
reaktiven Zustand zu versetzen. Dies kann man z. B.
erreichen, indem man die reaktiven Partner einfach
zusammenmischt - was aber den großen Nachteil hat, dass die
schnellen Reaktionen schon während der Vermischung
abgeschlossen sind und nicht beobachtet werden können. Die
Wissenschaftler mußten sich etwas anderes einfallen lassen:
Sie mischen dem Enzym eine chemisch veränderte unreaktive
Vorstufe, ein sogenanntes "caged compound" des
Reaktionspartners bei, die sie dann "entfesseln" um die
Reaktion so zu aktivieren. Die Bochumer Forscher benutzen
dazu "caged oxygen", einen anorganischen Kobaltkomplex, der
bei Bestrahlung mit UV-Licht molekularen Sauerstoff
freisetzt. Als Modellproteine nehmen sie leicht verfügbare
sauerstoffbindende Makromoleküle, wie den Blutfarbstoff
Hämoglobin oder den Muskelfarbstoff Myoglobin, um die
molekulare Wirkung von caged oxygen zu erproben und vor
allem sicherzustellen, dass sich die Verbindung biochemisch
genauso verhält wie natürlicher Sauerstoff.

Was im Akku genau passiert

Mit ihren Studien möchten sie herausfinden, welche Prozesse
nach Freisetzung und Bindung des Sauerstoffmoleküls und der
daraus folgenden Initiation des intramolekularen
Elektro-nentransfers ablaufen. Sie kombinieren gentechnische
und biochemische Methoden, um die für den Protonentransport
verantwortlichen Aminosäuren aufzuspüren und ihre Funktion
zu erforschen. Der Einfachheit halber machen sie ihre Tests
an Bakterien, die unkompliziert aufgebaut sind und
Vergleichsmessungen mit Mutanten zulassen. Die
Wissenschaftler haben schon eine leicht zu reinigende
Variante von Escherichia coli und Rhodobacter sphaeroides
und auch eine Reihe ortsspezifischer Mutanten hergestellt
und untersucht. 

Einsichten in grundlegende Lebensvorgänge

Die Erforschung des Reaktionsmechanismus der
Cytochromoxidase trägt dazu bei, Lebensprozesse am Beispiel
eines universell vorkommenden Katalysators besser zu
verstehen, der eine "biochemisch gebremste Knallgasreaktion"
kontrolliert und die dabei freigesetzte Energie sinnvoll
nutzt. Außerdem visieren die Wissenschaftler eine bessere
Erforschung von körpereigenen Entgiftungssystemen,
aminosäure-abbauenden Monooxygenasen, die von Gendefekten
betroffen sein können, und Biosyntheseenzymen von
Botenstoffen an. Die Ergebnisse der Studie können
möglicherweise für das Design neuer Medikamente genutzt
werden.

Weitere Informationen

Dr. Mathias Lübben, Lehrstuhl für Biophysik,
Universitätsstr. 150, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24465, Fax:
0234/32-14-626, Internet:
www.bph.ruhr-uni-bochum.de/luebben/



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Mit freundlichen Gruessen

Dr. Josef Koenig
RUB - Ruhr-Universitaet Bochum
- Pressestelle -
44780 Bochum
Tel: + 49 234 32-22830, -23930
Fax: + 49 234 32-14136
Josef.Koenig@ruhr-uni-bochum.de

Schauen Sie doch bei uns mal rein:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/pressestelle

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