NMR-Spektroskopie Strukturaufklärung von Proteinkomplexen

Die biologische Funktion von Eiweißmolekülen in der Zelle wird durch die Raumstruktur und Dynamik (interne Beweglichkeit) von Proteinen und Proteinkomplexen vermittelt. Lesen Sie, wie ein neues Verfahren die effiziente Strukturbestimmung von Proteinkomplexen in Lösung mittels der biomolekularen NMR-Spektroskopie ermöglicht.

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Größere Eiweißmoleküle (Proteine) haben eine komplexe räumliche Struktur, die für die biologische Funktion verantwortlich ist. Dabei hilft ein modularer Aufbau, in dem die verschiedenen kompakteren Untereinheiten – welche durch flexible Ketten miteinander verbunden sind – zusammenspielen. Diese Flexibilität ist wichtig, um die Wechselwirkung von Eiweißmolekülen untereinander oder mit deren Bindungspartnern wie z.B. mit Nukleinsäuren (DNA, RNA) zu regulieren. Mit der klassischen Strukturbestimmung durch Röntgenstrukturanalyse können zwar Strukturen kompakter Proteinkomplexe gut aufgeklärt werden, bei dynamischen Systemen mit transienten und schwachen Wechselwirkungen der Untereinheiten stößt diese Methode jedoch an ihre Grenzen. Dafür müssen nämlich die Eiweißmoleküle in ein starres Kristallgitter eingebaut werden, was die Flexibilität der Untereinheiten verhindert oder zumindest beeinflusst. Um die Funktion der Eiweißmoleküle in ihrer natürlichen Umgebung zu verstehen, müssen daher Verfahren herangezogen werden, die die Struktur dieser Moleküle in Lösung untersuchen.

Biomolekulare NMR-Spektroskopie

Die Kernspinresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance; NMR) ist die einzige Methode, mit der die Struktur und Dynamik von biologischen Makromolekülen mit atomarer Auflösung in Lösung untersucht werden können (s. Abb. 1). Neuerungen in der NMR-Technik und methodische Entwicklungen der letzten Jahre trugen dazu bei, dass immer größere und komplexere Systeme erforscht werden können. So es ist es gegenwärtig möglich, strukturelle und dynamische Informationen über die Wirkungsweise von makromolekularen Maschinen wie z.B. dem Proteasom zu erhalten [1–2]. Eine weitere wichtige Entwicklung sind NMR-Untersuchungen von Molekülen in lebenden Zellen (in-cell NMR) [3–4].

Gegenwärtige Standardverfahren zur Strukturbestimmung von modularen Proteinen oder Proteinkomplexen verlassen sich stark auf Distanzinformationen aus NOE-Spektren (Kern-Overhauser-Effekt (engl. nuclear Overhauser effect, NOE). Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund der Signalüberlagerungen sehr zeitaufwändig, und nicht immer können NOE-Effekte zwischen Untereinheiten eines Komplexes gemessen werden. Zudem nutzen gängige Verfahren nur ein eingeschränktes Spektrum an Methoden, und stoßen bei anspruchsvollen biologischen Problemen schnell an die Grenzen des Möglichen.

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