Neue Methode ermöglicht ‚fotografieren‘ von Enzymen: Studie erleichtert die Aufklärung der Katalyse-Mechanismen
Wissenschaftler der Universität Bonn haben eine Methode entwickelt, mit der ein Enzym bei der Arbeit „fotografiert.“ Ihre Methode macht es möglich, besser zu verstehen, die Funktion wichtiger Biomoleküle. Die Forscher erhoffen sich auch Erkenntnisse zu den Ursachen von bestimmten Enzym-Störungen. Die Studie erscheint in der Fachzeitschrift Chemistry — A European Journal und ist bereits online verfügbar.
Wenn ein alien sah ein Bild von einem paar der Schere zum ersten mal in einem Bastelbedarf-Katalog, würde er wahrscheinlich keine Ahnung haben, was wir Erdlinge verwenden Sie diese Sache für. Wenn auf der anderen Seite, er zeigt ein video, in dem die Schere öffnen und schließen, vielleicht könnte er ableiten, die in Ihrer Funktion mit ein wenig Phantasie.
Wissenschaftler haben einen sehr ähnlichen Ansatz, wenn Sie wollen, um zu verstehen, wie ein Enzym funktioniert es: Wenn Sie wissen, dass die Struktur des Moleküls überhaupt, dann meist nur als Standbild. Sie wissen nicht, wie das Enzym verhält sich in Aktion, die Teile aufeinander zu bewegen und die Teile bewegen sich voneinander Weg.
Enzyme katalysieren bestimmte Chemische Reaktionen in den Zellen, vergleichbar mit der Schere, schneiden Sie das Papier. Sie haben katalytische Zentren (die Schaufeln), die in Kontakt kommen mit dem Ausgangsmaterial (Papier). „Die dreidimensionale form des Enzyms in der Regel ändert sich während dieses Prozesses“, erklärt Prof. Dr. Olav Schiemann vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie an der Universität Bonn. „Normalerweise sind diese konformationsänderungen können nicht sichtbar gemacht werden, oder nur mit großem Aufwand. Dies macht es oft schwierig, zu verstehen, die Katalyse-Mechanismus.“
Schiemann ‚ s research group ist es gelungen, eine Methode entwickelt, mit der die Bewegungen von teilen des proteins, die gegen einander gemessen werden können, im Laufe der Katalyse. Die Bonner Wissenschaftler arbeiten bereits an solchen Methoden mit großem Erfolg seit mehreren Jahren. In Ihrer aktuellen Studie haben Sie untersucht, eine besonders wichtige Gruppe von Enzymen. Diese tragen Metall-Ionen mit zahlreichen ungepaarten Elektronen in Ihrer katalytischen Zentren. Ein Beispiel ist das Hämoglobin, welches Sauerstoff bindet mit Hilfe eines Eisen-Ionen und können so im Blut transportiert.
Flipping-Ionen
„Unsere aktuellen Methoden sind ungeeignet für eine solche high-spin-Ionen“, erklärt Schiemann Kollege Dr. Dinar Abdullin. „Wir haben daher eine neue Methode entwickelt, erarbeitet die Theorie und erfolgreich getestet.“ Die Forscher machten sich die Tatsache zu nutze, dass die high-spin-Ionen Verhalten sich wie kleine Elektromagnete. Zusätzlich, Sie können nach dem Zufallsprinzip ändern Ihre Polarität-Sie „flip“: Der Nordpol wird zum Südpol und der Südpol wird zum Nordpol.
Dieses Phänomen kann verwendet werden, für die Messung der Distanz. Hier die Wissenschaftler link das Enzym mit bestimmten chemischen verbindungen, die auch elektromagnetische Eigenschaften. „Wenn die high-spin-Ionen-flip, diese kleinen Elektromagneten reagieren auf das veränderte Magnetfeld in Ihrer Umgebung, indem Sie auch ändern Ihre Polarität“, erklärt Abdullin. Wann und wie Sie das tun, hängt unter anderem von der Entfernung zu den high-spin-Ionen. Dies macht es möglich zu bestimmen, die Distanz zwischen den beiden so genau.
Wenn mehrere magnetische Gruppen gebunden sind, ein Enzym, das die Entfernung von jeder dieser Gruppen auf die high-spin-Ionen und damit auf die katalytische Zentrum ist erhalten. „Durch die Kombination dieser Werte können wir Messen der räumlichen position dieses Zentrums, als wenn wir mit einer molekularen GPS“, erklärt Schiemann. „Wir können zum Beispiel bestimmen, wie seine position ändert sich im Vergleich zu den anderen magnetischen Gruppen im Verlauf der Katalyse.“
Aber die Wissenschaftler sind noch nicht in der Lage, wirklich sehen, die das Enzym bei der Arbeit. „Wir arbeiten immer noch mit eingefroren Zellen“, sagt Schiemann. „Sie enthalten zahlreiche Enzyme, die eingefroren wurden an verschiedenen Punkten in der Zeit während der katalytischen Reaktion. So haben wir nicht erhalten, einen film, sondern eine Serie der „stills“ — als wenn die Scheren aus dem einleitenden Beispiel wurden fotografiert in unzähligen verschiedenen Momenten während der Bearbeitung.
„Aber wir arbeiten schon an der nächsten Verbesserung“, betont der Chemiker: „Die räumliche Messung von Biomolekülen in Zellen und bei Zimmer-Temperatur.“ Die Forscher erhoffen sich Einblicke in die Entwicklung bestimmter Krankheiten, ausgelöst durch Funktionsstörungen von Enzymen. Neben Dr. Maxim Yulikov der ETH Zürich von der Universität Bonn, an der Studie auch beteiligt sich die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Stefan Grimme (auch Institut für Physikalische und Theoretische Chemie) und Prof. Dr. Arne Lützen (Kekulé – Institut).
