15.09.2020
Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise zweier lebenswichtigen Proteinen
Wissenschaftler haben mit Hilfe der Experimentierstation für Femtosecond X-Ray Experiments (FXE) verborgene Geheimnisse zweier Proteine aufgedeckt, die für Zellen lebenswichtig sind: Nitrosyl-Myoglobin und Cytochrom c.
Das internationale Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Forschern der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz hat jetzt gemeinsam mit Forschenden aus Japan, Großbritannien, Polen und European XFEL zwei Arbeiten veröffentlicht: die erste in Nature Communications mit dem Schwerpunkt Nitrosyl-Myoglobin und die zweite in Proceedings of the National Academy of Sciences of USA mit dem Schwerpunkt Cytochrom c.
Nitrosyl-Myoglobin und Cytochrom c gehören zur Gruppe der Häm-Proteine. Sie ermöglichen zelluläre Schlüsselprozesse wie den Transport und die Speicherung von kleinen Molekülen im Blut und in den Muskeln, aber auch die Signalübertragung im Gehirn und unterstützen enzymatische Reaktionen. Myoglobin bindet Sauerstoff, Kohlendioxid oder Stickstoffmonoxid und setzt diese wieder frei.
Cytochrom c ist am Elektronentransport innerhalb der Zellen beteiligt, mit dem diese das energietragende Molekül ATP herstellen, das in den Zellen aller Lebewesen vorkommt. Wie sich die Proteine während dieser grundlegenden biochemischen Reaktionen verhalten, ist auch von großer Bedeutung für das Verständnis des menschlichen Körpers.
Die Struktur von Myoglobin geht beim Binden und Freisetzen der kleinen Moleküle von einem "entspannten" planaren Zustand in eine stark gewölbte "gespannte" Konfiguration über. Bisher war jedoch unklar, was genau diesen Übergang und die Zwischenschritte verursacht. Zudem war nicht bekannt, ob diese Strukturänderung ein universelles Verhalten aller Häm-Proteine ist, insbesondere derjenigen, die wie Myoglobin, Hämoglobin und Cytochrom c am Transport, an der Speicherung und am Elektronentransfer beteiligt sind.
Der European-XFEL-Wissenschaftler Frederico Lima, der dem Team angehörte, ist seit seiner Promotion an ähnlichen Arbeiten beteiligt. "Ich habe eine starke Verbindung zu dieser Forschung, da es das Hauptthema meiner Doktorarbeit in der Schweiz war. Ich fühle mich sehr glücklich und geehrt, dass ich fünf Jahre nach der Veröffentlichung unserer ersten Arbeit über Nitrosyl-Myoglobin nun bei der Fortsetzung dieser Arbeit dabei sein und dank der Möglichkeiten von FXE dazu beitragen konnte, Details der ultraschnellen Veränderungen am Myoglobin zu entschlüsseln."
"Die hohe Anzahl von Röntgenblitzen pro Sekunde, die am European XFEL verfügbar sind, und die an der FXE-Experimentierstation mögliche Femtosekunden-Röntgenemissionsspektroskopie (XES) machen sie zum perfekten Ort für diese Art von Untersuchungen. Wir erhalten jetzt selbst mit empfindlichen und verdünnten Proteinlösungen eine hervorragende Datenqualität, und das ist sehr aufregend", sagt Dmitry Khakhulin, amtierender Gruppenleiter des FXE-Teams.
Die Forschenden lösten mit ultrakurzen Laserpulsen im sichtbaren Bereich die Ablösung des kleinen Moleküls oder den elektronischen Transfer aus. Mit den kurzen, harten Röntgenpulsen des European XFEL erzeugten sie dann die Röntgenemission (XES), die einen Fingerabdruck des Spin-Zustands der Moleküle liefert und die Veränderungen im aktiven Zentrum des Proteins (dem Häm) anzeigt. So konnten sie feststellen, dass der Wechsel von einer entspannten planaren zu einer gespannten gewölbten Struktur und wieder zurück tatsächlich durch eine Kaskade von Spin-Zuständen verursacht wird.
Die beiden Studien zeigen, dass dieser Prozess des sogenannten "Domings" nicht nur auf Myoglobin beschränkt ist, sondern sich auch bei anderen Häm-Proteine wie Cytochrom c findet. Die Studien tragen dazu bei besser zu verstehen, wie Zellen unter gesunden Bedingungen funktionieren, mit möglichen zukünftigen Anwendungen in den Gesundheits- und Medizinwissenschaften.
Quelle: European XFEL GmbH