Proteinreaktionen mit subatomarer Auflösung aufgeklärt

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Nummer 138 - Bochum, 06.10.2015

Proteinreaktionen mit subatomarer Auflösung aufgeklärt

Kombination von Infrarotspektroskopie und Computersimulationen entscheidend

Warum manche Schalterproteine langsamer sind als andere

Mit subatomarer Auflösung haben Forscher Einblicke in die dynamische Arbeitsweise zweier Schalterproteine gewonnen, die für den Stoffimport in den Zellkern und das Zellwachstum verantwortlich sind. Das Team um Prof. Dr. Klaus Gerwert vom Lehrstuhl für Biophysik der Ruhr-Universität Bochum, gemeinsam mit Partnern aus Dortmund und Shanghai, kombinierte verschiedene Methoden, um eine Auflösung von einem Hundertstel Atomdurchmesser zu erreichen. Das „Journal of Biological Chemistry“ widmet dem Thema in seiner aktuellen Ausgabe die Titelstory.

Schalterproteine Ran und Ras steuern wichtige Prozesse in der Zelle

Die Schalterproteine Ran und Ras steuern wichtige Prozesse wie den Import von Stoffen in den Zellkern oder das Zellwachstum. Ist ihre Funktion beeinträchtigt, kann das schwere Krankheiten auslösen. Ein verlangsamtes Ras-Protein ist etwa eine Ursache für Darmkrebs. Ran und Ras gehören zu den sogenannten GTPasen. Wenn das Molekül GTP an sie gebunden ist, sind die Proteine angeschaltet. Wird von dem GTP-Molekül eine Phosphatgruppe abgespalten, schaltet das die Proteine aus. Diesen Ausschaltprozess hat das Team um Prof. Dr. Klaus Gerwert und PD Dr. Carsten Kötting im Detail verfolgt, gemeinsam mit Kollegen des Max Planck Instituts für molekulare Physiologie in Dortmund und dem „Partner Institute for Computational Biology“ in Shanghai.

Aminosäure behindert Ausschaltprozess

Das Protein Ran lässt sich langsamer ausschalten als das Protein Ras. Bislang vermuteten Forscher, dass das mit der Position eines Magnesiumions in der Bindetasche für das GTP-Molekül zu tun hat. Die aktuelle Studie belegt jedoch, dass das Magnesiumion in Ran und Ras exakt an der gleichen Stelle ist. Stattdessen verhindert die Seitenkette einer Aminosäure in Ran, dass ein angreifendes Wassermolekül die optimale Position einnehmen kann, um die Phosphatgruppe von GTP abzuspalten.

Auflösung von einem Hundertstel Atomdurchmesser erreicht

Für solch detaillierte Beobachtungen ist eine subatomare Auflösung notwendig. Möglich macht das die Kombination von Röntgenstrukturanalyse, Infrarotspektroskopie und Computersimulationen. Die Röntgenstrukturanalyse liefert anschauliche atomare Modelle, die allerdings starr sind. Die Infrarotspektroskopie erlaubt Einblicke in dynamische Prozesse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung; sie ergibt jedoch keine anschaulichen Modelle. Mit Computersimulationen lassen sich Daten beider Methoden kombinieren, so dass hoch aufgelöste Videos entstehen. Das Team der Ruhr-Universität Bochum treibt die Kombination von Computersimulationen und IR-Spektroskopie voran. Dies war zum Beispiel Thema auf der „European Conference on the Spectroscopy of Biological Molecules“, die Klaus Gerwert im September 2015 an der Ruhr Universität ausrichtete.

Zweite Titelstory in drei Monaten

Innerhalb von drei Monaten haben die Biophysiker der RUB es gleich zweimal auf das Cover des „Journal of Biological Chemistry“ geschafft. In der vorangegangenen Publikation klärten sie molekulare Mechanismen des Proteins Gαi1 auf. Auch hierbei spielte die Kombination von Infrarotspektroskopie und Computersimulation eine entscheidende Rolle.

Projektförderung

Fördermittel für das Projekt stammen aus dem Sonderforschungsbereich 642, dessen Sprecher Professor Gerwert ist.

Titelaufnahmen

T. Rudack, S. Jenrich, S. Brucker, I. R. Vetter, K. Gerwert, C. Kötting (2015): Catalysis of GTP hydrolysis by small GTPases at atomic detail by integration of X-ray crystallography, experimental and theoretical IR spectroscopy, Journal of Biological Chemistry, DOI: 10.1074/jbc.M115.648071

G. Schröter, D. Mann, C. Kötting, K. Gerwert (2015): Integration of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Fluorescence Spectroscopy, Steady-state Kinetics and Molecular Dynamics Simulations of Gαi1 distinguishes between the GTP hydrolysis and GDP release mechanism, Journal of Biological Chemistry, DOI: 10.1074/jbc.M115.651190

Redaktion

Dr. Julia Weiler
Dezernat Hochschulkommunikation

Weitere Informationen

Prof. Dr. Klaus Gerwert, Lehrstuhl für Biophysik, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24461
klaus.gerwert@bph.rub.de

PD Dr. Carsten Kötting, Lehrstuhl für Biophysik, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24873
carsten.koetting@rub.de