Kristalle und molekulare Strukturen. Die Fähigkeit der Kristallographie, immer größere und komplexere Molekülstrukturen aufzudecken, ist unaufhaltsam. In einem halben Jahrhundert sind wir von der Entdeckung der Struktur der Nukleinsäuren und des Mechanismus der genetischen Übertragung zur Lösung der atomaren Strukturen der aktiven Zentren großer Proteine und makromolekularer Komplexe übergegangen, was den neuesten medizinischen und pharmakologischen Fortschritten zugrunde liegt.
Aus diesem Wissen wurde eine neue Wissenschaft geboren: Strukturelle Biologie. Das in der Abbildung gezeigte gewölbte Zellkernteilchen ist größer als das Ribosom und könnte am Transport von Nukleinsäuren, an der Proteinsynthese und möglicherweise an der Resistenz gegen Chemotherapiebehandlungen beteiligt sein
Geburt einer Wissenschaft
Im Jahr 1953 wurde eine der Entdeckungen gemacht, die die Wissenschaft der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts und die Zukunft der Biologie und Medizin prägten. James Watson und Francis Crick von der Universität Cambridge sowie Rosalind Franklin und Maurice Wilkins vom King’s College London arbeiteten an der Aufklärung der Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA). Beide hatten DNA gereinigt und kristallisiert, aber Rosalind Franklin hatte die besten Röntgenbeugungsbilder erhalten, die zeigten, dass es sich bei der Struktur um eine Doppelhelix handeln musste.
Es war eine brillante Arbeit, die die wissenschaftliche Gemeinschaft verblüffte. Außerdem wurde in diesem Fall die Bedeutung der Kristallographie deutlich, da es kein besseres Molekül als die DNA gab, um den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion zu erklären. Die ganze Welt verstand, was die Autoren der Arbeit selbst feststellten: „Die spezifische Verknüpfung, die wir postuliert haben, legt sofort einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahe.“ Es gab eine klare Verbindung zwischen den Strukturen der biologischen Makromoleküle und der Funktion, die sie im Organismus erfüllen. Eine neue Wissenschaft war geboren: die Strukturbiologie.
Watson, Crick und Wilkins erhielten 1962 den Nobelpreis für Chemie. Rosalind Franklin war vier Jahre zuvor gestorben.
Das Problem der Kristallisation
Um eine beliebige makromolekulare Struktur zu lösen, ist es notwendig, zunächst die Kristalle zu erhalten. Es muss kristallisiert werden. Dies geschieht mit Lösungen dieser Substanzen, egal ob es sich um Proteine, Nukleinsäuren oder große makromolekulare Komplexe handelt.
Doch die Kristallisation ist so kompliziert, dass sie sich manchmal als Engpass großer Projekte der Strukturbiologie und Biomedizin erweist.
Im Jahr 1946 erhielt James Batcheller Sumner den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung der Proteinkristallisation und 1988 Hartmut Michel den Nobelpreis für Chemie für seinen Beitrag zur Kristallisation von Membranproteinen und insbesondere des photosynthetischen Reaktionszentrums.
Die Breite dieser Kristalle beträgt 800 Mikrometer. Heutzutage werden Kristalle mit einer Breite von nur wenigen Mikrometern verwendet, um Röntgenbeugungsbilder zu erhalten.
Antikörper
Struktur des menschlichen Antikörpers IgG1 b12, der spezifische Stellen des Immunschwächevirus HIV-1 erkennt und in der Lage ist, es zu neutralisieren. Dieser Antikörper wurde für die Entwicklung von Impfstoffen gegen AIDS untersucht.
C05 ist ein Antikörper, der sich an ein Protein auf dem Mantel des Grippevirus anlagert (in der Abbildung rot dargestellt) und hocheffizient und selektiv ist, weshalb er Gegenstand der Forschung ist, um bessere Impfstoffe gegen die gefährlichsten Grippetypen zu finden.
Ribosomen sind große makromolekulare Komplexe, die aus Ribonukleinsäure und Proteinen bestehen und für die Produktion von Proteinen in allen lebenden Zellen verantwortlich sind. Ihre Größe ist enorm. Um eine Vorstellung von ihrer Größe und Komplexität zu bekommen, nehmen Sie die Masse eines Moleküls Natriumchlorid, die 60 Dalton (Da) beträgt, oder Penicillin mit 350 Da, sogar menschliches Insulin, das etwa 5.800 Da hat, und vergleichen Sie sie mit dem Molekulargewicht des Ribosoms, das 2.500.000 Da beträgt. Das Verständnis der Prozesse der Proteinsynthese im Ribosom, der anschließenden Faltung und des Abbaus im Proteasom ermöglicht es uns, das Verständnis von neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit voranzutreiben. Die Lösung der Struktur dieser riesigen molekularen Maschine ist eine der neuesten Errungenschaften der Kristallographie.
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