Proteine unter der Lupe

Mit neuen Methoden der Kernresonanzspektroskopie kann die räumliche Struktur von Proteinen bestimmt werden

Proteine, die lebenswichtigen Eiweißbausteine der Organismen, sind lange kettenförmige Moleküle, die sich zu komplizierten dreidimensionalen Gebilden falten. Diese genau festgelegte Struktur ist Voraussetzung dafür, dass ein Protein seine hochspezialisierte Aufgabe im Organismus ausführen kann. Umgekehrt lassen sich Rückschlüsse auf die Funktion eines Proteins ziehen, wenn man seine räumliche Struktur kennt.

Die Strukturaufklärung von Proteinen gestaltet sich schon wegen der Größe der Moleküle äußerst schwierig. Die zuverlässigste Methode ist bisher die Röntgenkristallographie, bei der anhand der Beugung von Röntgenstrahlen an Proteinkristallen die Lagen der Atome im Molekül bestimmt werden. Die dafür benötigten hoch geordneten Kristalle sind häufig nur schwierig zu erhalten. Außerdem liegen viele Proteine in ihrer natürlichen Umgebung in gelöster Form vor. Die Struktur im Kristall kann sich also unter Umständen erheblich von der physiologisch relevanten Struktur des gelösten Proteins unterscheiden.

Ein weiteres Problem stellen Proteine dar, die unter physiologischen Bedingungen zwar feste Aggregate mit teilweise geordneten Bereichen bilden. Diese sind aber nicht regelmäßig genug für eine exakte röntgenkristallographische Analyse. Hier könnte möglicherweise künftig die hochauflösende Festkörper-NMR-Spektroskopie (NMR — Nuclear Magnetic Resonance – magnetische Kernresonanz) zum Einsatz kommen. Bei der Kernresonanzspektroskopie werden die Atomabstände im Molekül anhand ihrer magnetischen Wechselwirkungen berechnet.

Ein Team von Wissenschaftlern um B. Meier aus Zürich hat nun erstmals diese Methode verwendet, um die Struktur eines Prionproteins aus dem Pilz Podospora anserina zu bestimmen. Prionproteine kommen in zwei verschiedenen Formen vor, einer löslichen und einer durch eine Umfaltung der Proteinkette daraus hervorgehenden unlöslichen Amyloidform. Die Festkörper-NMR-Spektren dieser Amyloid-Fasern zeigen, dass etwa zwei Drittel des Proteins eine regelmäßige geordnete Struktur einnehmen, während das restliche Drittel völlig ungeordnet vorliegt. Die geordneten und die ungeordneten Teile können jeweils unterschiedlichen Bereichen des Proteinmmoleküls zugeordnet werden. Zur Zeit sind die Wissenschaftler noch mit der exakten rechnerischen Auswertung der Strukturinformation beschäftigt.

Prionen kommen auch beim Menschen und anderen Säugetieren vor. Die Ablagerung von faserförmigen Amyloidproteinen im Gehirn ist der Auslöser der Prionkrankheiten Scrapie und BSE bei Schaf und Rind oder der Alzheimerschen Demenz und des Creutzfeld-Jakob-Syndroms beim Menschen.