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Was ist Proteinkristallographie?

Mit der Entschlüsselung des genetischen Codes von verschiedensten Organismen ist ein großer Schritt zum Verständnis wichtiger Prozesse in der Biologie gelungen. Jedes Gen kodiert den Bauplan für ein bestimmtes Protein und legt damit vor allem seine räumliche Struktur exakt fest. Leider gelingt es immer noch nicht, allein aufgrund der genetischen Information diese 3D-Struktur mit hinreichender Sicherheit zu bestimmen. Die Kenntnis der Struktur ist aber in Verbindung mit funktionellen Daten eine wesentliche Grundlage für das Verständnis der Funktion der Proteine, die als Akteure alle biologischen Prozesse bestimmen. Sie ermöglicht damit z.B. auch rationales Wirkstoffdesign neuer Medikamente.

Wir versuchen daher, die dreidimensionale Struktur wichtiger Proteine mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse aufzuklären. Diese Methode liefert gegenwärtig die genauesten Informationen über den räumlichen Aufbau von Proteinen, allerdings werden dafür Kristalle des Zielmoleküls benötigt. Darum liegt ein Schwerpunkt in unserer Abteilung in der Präparation ausreichender Mengen hochreinen Proteins, das dann zu breit angelegten Kristallisationstest genutzt wird. Dieser Teil der Arbeiten beeinhaltet die gängigen bio­chemischen und vor allem säulenchromatographischen Labortechniken.

Gelingt es, Kristalle zu züchten, werden sie mit Hilfe von Röntgenstrahlung auf ihre innere Ordnung hin untersucht, und aus ihrem Beugungsverhalten kann mit Hilfe aufwändiger Computermethoden ein dreidimensionales Modell des Proteins erstellt werden. Bei diesem Teil der Arbeiten werden Messungen sowohl im Labor, als auch an den Elektronen­synchrotrons in Hamburg und Grenoble durchgeführt. Für die Datenauswertung werden vernetzte Clusterrechner und moderne Stereoarbeitsplätze verwendet.

Thematisch konzentrieren sich die Arbeiten vor allem auf Proteine aus dem Photo­synthese­apparat von Algen und Bakterien. Ein weiteres Interessengebiet sind Membranproteine, die aktiv Substanzen über die Cytoplasmamembran transportieren.

Wir sind zentral im Protein Research Department der RUB eingebunden und sind die Anlaufstelle für Abteilungen aus der Universität (vor allem aus den Fakultäten Biologie und Biotechnologie, Chemie und Biochemie und Medizin) werden, die ihre Projekte strukturbiologisch erweitern wollen.

Innerhalb der Lehre ist ein Hauptanliegen, biologisch orientierten Studierenden den effektiven, aber auch kritischen Umgang mit Proteinstrukturen zu vermitteln, die in steigender Zahl aus Datenbanken abrufbar sind.

Die Strukturbiologie, zu der die Röntgenstrukturanalyse zählt, ist ein klassisches interdisziplinäres Arbeitsgebiet, in dem die direkte Zusammenarbeit zwischen Biologen, Chemikern und Physikern eine Grundlage für erfolgreiche Projekte ist. Hier können Studenten während ihrer praktischen Arbeiten Kompetenzen erwerben, die gerade in modernen LifeScience- und Biotechnologieunternehmen stark nachgefragt werden.


Was ist Biophysik?



Was sind Membranproteine?

Zellen und Zellorganellen sind von komplexen Membransystemen umgeben, wodurch Kompartimente voneinander bzw. Zellen vom Extrazellularraum abgegrenzt werden. Biologische Membranen bestehen aus Lipiden und Proteinen, wobei man zwischen Transmembranproteinen und membranständigen Proteinen unterscheidet. Membranproteine leisten den Austausch/Transport ausgewählter Substanzen und dienen der Kommunikation durch die Verarbeitung von Signalen. Sie übernehmen ebenfalls enzymatische Aktivität und sind an der biologischen Energiewandlung beteiligt.

Der Transport von Molekülen und Ionen wird beim „passiven Transport“ u.a. von Kanälen, Poren und Permeasen gewährleistet. Desweiteren unterscheidet man zwischen „primär“ und „sekundär aktivem Transport“, der einen direkten Energielieferanten benötigt oder indirekt beispielsweise durch den Aufbau eines Konzentrationsgradienten ermöglicht wird.

Ein Beispiel für Signaltransduktion bei Membranproteinen sind G-Protein gekoppelte Rezeptoren, die bei äußeren Einflüssen wie Lichtreizen einen aktiven bzw. inaktiven Zustand einnehmen können und dann, je nach Funktion, eine Signalkaskade in Gang setzen bzw. unterbrechen.

Durch die Aktivität von Membranproteinen können elektrochemische Gradienten entstehen. So wird etwa bei der Zellatmung ein Protonengradient erzeugt, der dazu genutzt wird um den Energielieferanten ATP zu synthetisieren.

Was sind Strukturen?

Proteine erfüllen ihre Funktion als atomare Maschinen. Um das tun zu können hat jedes Protein eine bestimmte dreidimensionale Form, eine sogannte Struktur. Diese ist nicht willkürlich sondern ist optimal gewählt, damit das Protein seine Aufgabe erfüllen kann.
Die Abfolge der Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen, bestimmt die Struktur - die Faltung - des Gesamtproteins. Sie formen sogenannte Sekundärstrukturen, alpha-Helices und b-Faltblätter, die sich anschließend zur Tertiärstruktur, der dreidimensionalen Struktur des Proteins zusammenlagern.
Oft ändert sich die Proteinstruktur während es seine Funktion ausübt und gerade diese Änderungen versuchen wir aufzuklären um die katalysierte, chemische Reaktion verstehen zu können.

Die Proteinstrukturen können in bestimmte Klassen von Proteinen eingeteilt werden, je nachdem, ob sich die Faltungen ähneln. Erstaunlicherweise hat die Forschung hier eine Art Endpunkt erreicht. Seit 2008 ist keine neuartige Faltungsart mehr gefunden worden. Jede weitere Proteinstruktur entspricht in ihrer Grundform einer bereits bekannten. Trotzdem lohnt sich die Aufklärung weiterer Proteine, da wir nochimmer stets Neues aus seiner Struktur lernen können.