The Three-Dimensional Structure of a Membrane Protein
This is a modal window.
The media could not be loaded, either because the server or network failed or because the format is not supported.
Formal Metadata
| Title |
| |
| Title of Series | ||
| Number of Parts | 340 | |
| Author | ||
| License | CC Attribution - NonCommercial - NoDerivatives 4.0 International: You are free to use, copy, distribute and transmit the work or content in unchanged form for any legal and non-commercial purpose as long as the work is attributed to the author in the manner specified by the author or licensor. | |
| Identifiers | 10.5446/55139 (DOI) | |
| Publisher | ||
| Release Date | ||
| Language |
Content Metadata
| Subject Area | ||
| Genre | ||
| Abstract |
|
00:00
IronChlorophyllProtein subunitAtomProcess (computing)Michel, HartmutCoordination complexAcoustic membraneMultiprotein complexMoleculeProteinLeft-wing politicsPhotosynthetisches ReaktionszentrumWasserstoffionCofactor (biochemistry)General chemistryMagnesiumElectronProteinMagnesiumionSpeciesIronElektronenakzeptorGlacierCytochromePhotosynthesisChemical reactionEisenatomCofaktorMolecular geometryMeeting/Interview
10:05
IronTarEtherProtein subunitElectronPeptide sequenceProteinAcoustic membraneChlorophyllCoral bleachingMoleculeAdenosineHelicität <Chemie>PhosphateAmino acidWasserstoffionBadische Tabakmanufaktur Roth-HändleProteinPlänerStarchAbsorption spectroscopyChemical compoundBeta sheetHelixTon <Geologie>Nachlauf <Verfahrenstechnik>Multiprotein complexATPaseCrown etherAnsatzSpectroscopyBinding energyCytochromeQuinoneSolutionReceptor (biochemistry)KrankheitsübertragungTriphosphateMitochondrionIon transporterHeliceneMeeting/Interview
20:04
IronChemical compoundMagnesiumionChlorophyllSide chainNachlauf <Verfahrenstechnik>PlanheitHistidineBinding energyElectronChemical reactionBruchQuinoneAcetylProtein subunitOreReduction potentialProteinHeliceneCarotinoideBucklingElektronentransferChromiumWassermolekülAtomAction potentialBottling lineMichel, HartmutIoneneMagnesiumIronIndustrial etchingMeeting/Interview
30:03
IronAbbruchreaktionNobeliumChlorophyllPheophytinProteinSide chainMichel, HartmutProtein subunitChemical compoundMoleculeTryptophanConformational isomerismElektronentransferProteinAcoustic membraneGlutamic acidAmino acidStarrheitAtomOxygenElectronSteelPeptide sequenceIronPeptide sequenceTeaBottling lineAmino acidTyrosinAttachment theoryHistidine
40:02
EtherIronMoleculePhotosyntheseapparatProteinElektronentransferAmino acidBucklingGlutamic acidHistidineMultiprotein complexPhotosystemProteinElectronProtonationPheophytinProtein subunitSoilHeliceneCleanlinessKonservierungBinding energyPeptide sequencePropadieneReceptor (biochemistry)ChlorophyllAmino acidDischarge (hydrology)Chlorophyll aTequilaLamineAttachment theoryReaction mechanismAmineWasserstoffionPhotosynthesisHelicität <Chemie>NitrogenFilm grainCarrier signalChemical reactionPeptideMichel, HartmutAcoustic membraneSpeciesMeeting/Interview
50:01
Nobelium
Transcript: German(auto-generated)
00:17
Vielen Dank, Herr Winnecker. Zunächst einmal guten Morgen, meine Damen und Herren.
00:22
Wie schon erwähnt von Herrn Winnecker möchte ich die Geschichte, die Hartmut Michel begonnen hat zu erzählen, fortsetzen und ein bisschen mehr ins Detail der Struktur des photosynthetischen Reaktionszentrums von Rhodopseudomonas Viridis gehen.
00:44
Anfang möchte ich jedoch mit einem Bild, das Sie schon kennen. Betrachten wir zunächst einmal nur das Bild hier zu Ihrer Linken. Das ist ein Querschnitt durch das Bakterium Rhodopseudomonas Viridis, wie Sie schon gesehen haben, wie es im Elektronenmikroskop sichtbar wird.
01:10
Man sieht hier die Stapel von Membranen, die der Organismus gebildet hat und die gefüllt sind mit Molekülen, die wichtig sind für die photosynthese dieses Organismus.
01:26
Ich will mich hier nicht weiter aufhalten und Ihnen ein schematisches Bild einer solchen Membran zeigen. Ein sehr stark vereinfachtes Bild von oben gesehen auf die Membranfläche.
01:44
Wir sehen hier zwei Arten von Gebilden, diese Kreise, die stehen für sogenannte Antennen- oder Lichtsammelkomplexe und dieses Ding hier für das Reaktionszentrum. Die Pfeile stellen nun einen typischen Vorgang dar der Absorption von Licht und der weiteren Prozesse, die dabei passieren.
02:13
Nehmen wir mal an, einer dieser Lichtsammelkomplexe hat ein Lichtquant, ein Photon eingefangen.
02:24
Nun passiert Folgendes, die Energie dieses Lichtquants wird zwischen den einzelnen Lichtsammelkomplexen wie ein Ball hin und her geworfen, ohne dass dabei sehr viel passiert.
02:42
Die Energie wandert diffusionsartig in der Membran umher und dann, früher oder später, trifft sie auf ein Reaktionszentrum. Und hier passiert nun wirklich etwas, eine sehr rasche Ladungstrennung über die Membran und
03:05
eine ganze Reihe von komplexen Prozessen, die ich versuchen werde, Ihnen etwas näher zu bringen. Und diese Tatsache hat zu dem Namen Reaktionszentrum geführt, weil bei der Diffusion der Energie passiert eigentlich nichts.
03:26
Die Lichtsammelkomplexe ändern ihre Struktur nicht, ihre Chemie nicht, sondern die nur als kurzfristiger Aufenthalt dieser Lichtenergie, während hier eine Menge Dinge passieren.
03:41
Hier zu Ihrer Rechten sehen Sie nun ein komplettes Modell des photosynthetischen Reaktionszentrums von Rhodopseudomonas Vildis. Ich rufe ihn nochmal ins Gedächtnis, was Hartmut schon ausgeführt hat am Montag.
04:04
Dieser Komplex besteht aus insgesamt vier Proteinuntereinheiten, die hier schematisch dargestellt sind in dieser geglätteten Kurvenform, die nun den Verlauf der Polypeptidketten in diesen Proteinen wiedergibt.
04:30
An den vier Farben, Grün, Braun, Blau und Violett, erkennen Sie die vier Untereinheiten, Zytochrom, Grün, L-Unter-Einheit, Braun, M-Unter-Einheit, Blau und H-Unter-Einheit, Violett.
04:52
In diesem Proteinkomplex eingebettet sind die vierzehn Kofaktoren, das sind Gruppen chemische Moleküle, die nicht zu der Gruppe der Proteine gehören.
05:09
Zum Beispiel HM-Gruppen in dem Zytochrom und Chlorophylle, Phäophytine, Kinone, ein Carotenoid und ein Eisenatom hier in den Untereinheiten L und M.
05:27
Dieses Bild wird während meines ganzen Vortrags stehen bleiben und ich werde immer wieder darauf zurückkommen, wenn ich Details der Struktur bespreche, damit Sie wissen, in welchen Quadranten dieses großen Moleküls wir uns gerade aufhalten.
05:47
Es ist ein großes Molekül, das Molekulargewicht ist etwa 145.000 Dorten und die Abmessungen, wie es hier gezeigt ist, sind 130 Angstrem von der Spitze zum unteren Ende und etwa 70 Angstrem in dieser Dimension.
06:09
Hartmut hat bereits ausführlich darüber gesprochen, dass der mittlere Teil hier, vor allem die Untereinheiten L und M, in der bakteriellen Membran sitzen und dass es sich dabei eben hauptsächlich um die Struktur des Membranproteins handelt.
06:29
Ich möchte jetzt eine kurze Schilderung der Reaktionen geben, die in dem Reaktionszentrum ablaufen und ihre Verknüpfung mit weiteren molekularen Systemen in der bakteriellen Membran.
06:47
Wir haben hier die Membran abgebildet schematisch, hier die zytoplasmatische Oberfläche, die periplasmatische Oberfläche. Dieses sogenannte Periplasma, das ist der Zwischenraum zwischen der inneren, das ist die innere
07:05
Membran des Bakteriums und der äußeren Membran, die hier irgendwo hier oben sitzen würde. In dieser Membran sehen wir das Reaktionszentrum, hier schematisch die Untereinheiten L und M und die H-Unterenheit und das Zytokron.
07:26
Und diese Kreise und Ellipsen hier, die stellen nun die Kofaktoren dar. Hier ein Paar von Kreisen, das ein Paar, ein eng assoziertes Paar von Chlorophyll darstellt, das ist dieses Gebilde in der Struktur.
07:47
Das ist das sogenannte spezielle Paar oder special pair, wie es in der Literatur genannt wird. Der Ausgangspunkt der Ladungsbewegung nach Absorption von Licht. Hier ist ein Photon schematisch dargestellt.
08:04
Es trifft auf dieses Paar und bringt es in einen angeregten elektronischen Zustand. In diesem Zustand ist dieses Paar von Chlorophyllen sehr leicht in der Lage, ein Elektron abzugeben.
08:21
Nun erweist es sich, dass der erste Akzeptor dieses Elektrons dieses sogenannte Pfeo-Phythien ist. Das ist dieses Gebilde hier. Ein Pfeo-Phythien ist eine Variante eines Chlorophylls. Chlorophyll hat ein Magnesium-Ion in dem Zentrum von einem Tetrapyrrolring.
08:47
Pfeo-Phythien hat anstelle des Magnesium-Ions zwei Protonen, aber sonst sind die Strukturen gleich. Okay, also dieses Paar wird angeregt, das Elektron bewegt sich auf dieses Pfeo-Phythien.
09:04
Und zwar mit einer Zeitkonstante von 2,8 Pikosekunden. Ein äußerst rascher Ladungstrennungsprozess. Von dem Pfeo-Phythien geht das Elektron weiter auf eines der beiden Chinone, das sogenannte QA,
09:23
mit einer Zeitkonstante von 200 Pikosekunden. QA ist dieses Gebilde hier. Man sieht, dass innerhalb dieser Zeit 2,8 plus 200 Pikosekunden das Elektron praktisch die ganze Membran durchquert hat.
09:43
Dies ist sehr wichtig, um die Energie dieses Lichtquants in Form von elektrischer Ladungstrennung zu konservieren. Nun ist es auf dem QA und es bewegt sich weiter auf das zweite Chinone, das sogenannte QB-Zug.
10:05
QB ist dieses Chinone, dieses Gebilde hier. Die Zeitkonstante für diese Übertragung ist nicht genau bekannt. Sie ist in der Größenordnung von etwa 100 Mikrosekunden. Und damit außerordentlich sehr viel langsamer als dieser Elektronübertragungsprozess.
10:29
Dies ist eine Bewegung parallel zur Membranoberfläche. Das QB hat außerordentlich interessante Eigenschaften. Es kann insgesamt zwei Elektron, also zweimal hintereinander ein Elektron akzeptieren.
10:46
Und dann, wenn das geschehen ist, wenn es zweifach reduziert ist, dann nimmt es zwei Protonen auf und in Form eines Chinols verlässt es das Reaktionszentrum.
11:04
In der Membran finden wir einen Vorrat an Chinonen. Und die Bindungsstelle des QB wird sofort wieder aufgefüllt aus diesem Vorrat. Das Chinol diffundiert nun zu einem weiteren Membran-Protein-Komplex, dem sogenannten Cytochrome-BC1-Komplex.
11:28
Dies ist ein universelles Molekül. Das finden wir auch in Mitochondrien von Säugetieren zum Beispiel in uns selbst. Gibt es so ein Cytochrome-BC1-Komplex.
11:43
Und dieser Komplex macht in aller Kürze Folgendes. Er bindet das Chinol. Er transportiert die Elektronen und die Protonen zusammen mit zusätzlichen Protonen aus dem Zytoplasma zurück durch den Membran.
12:08
Die Elektronen werden auf ein kleines Protein übertragen, das sogenannte Cytochrome-C2. Das als Fähre dient für die Elektronen auf dem Weg zurück zu dem an das Reaktionszentrum gebundenen Cytochrome, diesen Molekül.
12:31
Und von diesem kleinen Cytochrome-C2 wird das Elektron nun auf eine dieser vier Hemdgruppen übertragen.
12:44
Wir wissen nicht auf welche. Und von da gehen die Elektronen zurück zu diesem Paar, von dem sie ausgegangen sind. Sodass wir einen geschlossenen Kreislauf von Elektronen haben, durch diese beiden Proteine und über das Chinol.
13:06
Dieser Kreislauf wird durch Licht angetrieben und der Nettoeffekt ist ein Pumpen von Protonen durch den Membran. Sodass man hier auf der periplasmatischen Seite eine höhere Protonenkonzentration findet, also
13:26
einen niedrigen pH, wenn Sie so wollen, als auf der zytoplasmatischen Seite. Und das ist es, worauf das Bakterium hinaus will. Es möchte gern die Lichtenergie benutzen, um energiereiche chemische Verbindungen herzustellen.
13:46
Denn nun die Standardenergiewehrung einer Zelle, auch eines Bakteriums, ist das sogenannte Adenosin Triphosphat. Und genau das wird produziert mit Hilfe dieses Protongradienten von einem weiteren Membranproteinkomplex der sogenannten F0, F1-ATPase.
14:12
Das ist das eigentliche Ziel, das das Bakterium verfolgt mit diesem Photosynthesevorgang. Ich möchte noch darauf hinweisen, dass in diesem Bild, wie selbstverständlich, das Elektron dargestellt wird, wie es auf der einen Seite,
14:31
wie sie mir auf der Seite der L-Undereinheit innerhalb des Reaktionszentrums entlangläuft,
14:43
und dann die Seiten wechselt sozusagen, wenn es nahe der zytoplasmatischen Membranoberfläche angekommen ist. Also in diesem Bild auf diese Art. Ich werde auf diesen Punkt noch zurückkommen. Woher wissen wir all das?
15:04
Es ist nicht so, dass man diese Vorgänge aus der Struktur abgeleitet hat, sondern es waren dazu umfangreiche Arbeiten auf dem Gebiet der Spektroskopie nötig. Und dazu habe ich dieses Bild eingefügt.
15:25
Es ist ein Bild aus einem Artikel von Parsons, Schertz und Waschow, der vor einiger Zeit erschienen ist. Er demonstriert erstens, dass Reaktionszentren, wie hier in dieser gestrichelten Linie dargestellt,
15:42
das ist ein Absorptionsspektrum, dass Reaktionszentren Absorptionsspektren haben, die sich stark von isolierten Chlorophyllmolekülen in organischen Lösungsmitteln unterscheiden. Ein Beispiel von Bakterioklorophyll in Äther ist in dieser durchgezogenen Linie dargestellt.
16:07
Ich möchte besonders darauf hinweisen, auf diese Absorptionslinie im Infraroten, nahe bei 1000 Nanometer, die nun ein Charakteristikum dieses Reaktionszentrums ist
16:22
und die man mit isolierten Bakterioklorophyll-B-Molekülen in Lösungen keineswegs findet. Die funktionellen Daten, die ich vorhin geschildert habe, werden nun größtenteils dadurch gewonnen,
16:42
dass man das Ausbleichen von Absorptionsbanken beobachtet, in Abhängigkeit von der Zeit nach Anregung eines Reaktionszentrums. Aufgrund dieser Sequenz von Ausbleichen verschiedener Banken,
17:02
und aufgrund von vielen anderen Untersuchungen auch, aber hauptsächlich mit Spektroskopie, hat man all diese Funktionsdaten zusammengetragen. Und die Struktur hat sozusagen eine Grundlage für die Diskussion dieser Abläufe geliefert.
17:25
Wie gesagt, Hartnoth hat bereits die Aspekte dieser Struktur als der eines Menbranproteins diskutiert. Und wir haben gesehen, dass dieser Teil der Struktur eine stark hydrophobe Oberfläche hat
17:41
und dass verschiedene erstaunliche Verteilungen von Aminosäuren zu beobachten sind. Nur geladene Aminosäuren nur in diesem Teil, in diesem Teil etc. Ich möchte das nicht alles wiederholen. Ich möchte jetzt nochmal kurz auf die Untereinheitenstruktur zurückkommen
18:04
und dann eben mich konzentrieren auf die Kuhfaktoren in diesem Teil und in einige Details dieser Strukturen schildern. Das ist nochmal die L-Untereinheit, eine der beiden Hauptkomponenten der Struktur,
18:27
die sich in der Membran befindet, also diese braune Untereinheit in diesem Bild. Und ich möchte nochmal erinnern an die fünf Transmembranhelices, die hier in Rot dargestellt sind.
18:42
Wenn Sie genau hinschauen, sehen Sie, dass die Proteinstruktur in diesem Teil nur aus sogenannten Helices besteht. Es sind hauptsächlich Alpha-Helices. Und ganz ähnlich dieser L-Untereinheit ist die M-Untereinheit, wie Sie hier sehen,
19:01
wieder mit diesen fünf Transmembranhelices. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Untereinheiten sind konzentriert auf die Strukturbereiche, die sich nicht in der Membran befinden. Noch nicht gesehen haben Sie die Struktur der H-Untereinheit.
19:22
Das ist dieses Gebilde, das Sie hier sehen. Wie Sie sehen, hat das auch eine Transmembranhelice hier in Rot gezeichnet. Sie ist sehr schlecht zu sehen auf diesem Bild. Beginnt etwa hier und bewegt sich hier abwärts auf der Oberfläche der Untereinheiten L und M.
19:43
Das ist dieser Teil der Struktur. Dann folgt eine sehr lockere Struktur, die wahrscheinlich ohne Bindung an den Komplex von L und M nicht stabil wäre.
20:01
Und letztlich eine kompakte globuläre Domäne, die die zweite Hälfte des Proteins darstellt, mit antiparallelen Betasheet hier in Blau und Helix in Violett etc. Das ist dieser Teil. Das ist ein Bild des Zytochroms, also dieser grünen Untereinheit,
20:27
wobei man hier die vier gebundenen Hemmgruppen sieht und in Violett eine ganze Reihe von kurzen Alpha-Helices.
20:41
Diese Alpha-Helices sind wesentlich beteiligt an der Bindung der Hemmgruppen, an der Bildung von Hemmbindungstaschen in diesen Proteinen. Diese Untereinheit hat eine sehr interessante Eigenschaft, die hier demonstriert ist.
21:04
Ich weiß nicht, ob man das Licht etwas verringern kann. Dankeschön. Das ist ein Blick auf die Zytochrom-Untereinheit, also eine bestimmte Richtung, die Folgendes demonstriert.
21:20
Wenn man sich diese Hemmgruppen anschaut, dann sieht man, dass diese Struktur eine zweizellige Symmetrie hat. Man kann dieses Hemm auf das rotieren und dieses auf das durch eine Drehung von ungefähr 180 Grad um eine Achse, die etwa hier durchgeht.
21:45
Also wir haben eine Polypeptitkette mit vier Hemm gebunden und wir finden darin eine näherungsweise zweizellige Symmetrie in dieser Struktur. Auch ein Teil der Polypeptitkette folgt dieser Symmetrie, und zwar der grüne Teil hier und der rote Teil hier.
22:06
Diese beiden Polypeptitketten-Segmente lassen sich auch in etwa aufeinander rotieren durch die selbe Operation, die die Hemmgruppen aufeinander rotiert.
22:21
So haben wir ein beträchtliches Ausmaß an innerer zweizelliger Symmetrie. Die Teile der Struktur, die nicht der Symmetrie gehorchen sind blau gezeichnet, hier und hier. Das sind hauptsächlich die Teile, die mit dem Rest des Reaktionszentrums in Kontakt stehen und Teile, die Verbindungen zwischen diesen beiden symmetrischen Polypeptitkettenstücken herstellen.
22:51
Es ist nun interessant zu sehen, dass diese strukturelle Symmetrie offenbar im Gegensatz steht zu einer funktionellen Asymmetrie.
23:08
Und zwar war seit Langem bekannt, dass die Redoxpotenziale, also ein Maß für die Leichtigkeit,
23:23
mit der Elektronen gebunden oder abgegeben werden, dass die Redoxpotenziale dieser vier Hemmgruppen verschieden sind. Man hat zwei Gruppenunterschieden, sogenannte Niedrigpotenzial-Hemmgruppen und Hochpotenzial-Hemmgruppen.
23:41
Und aufgrund der strukturellen Symmetrie müsste man dann annehmen, dass dieses Hemm und dieses gleiche Redoxpotenzial haben und dieses und dieses. Eine Vielzahl von experimentellen Ergebnissen deutet aber darauf hin, dass das nicht der Fall ist, dass
24:02
man im Gegenteil einen Bruch der Symmetrie hat, was die Funktion angeht, was das Redoxpotenzial angeht. Dieses und dieses Hemm werden zurzeit als Hochpotenzial-Hemme vermutet und dieses und dieses als Niedrigpotenzial.
24:22
So wir haben einen Gegensatz hier in dem Zytokron, einen Gegensatz zwischen struktureller Symmetrie und funktioneller Asymmetrie. Jetzt komme ich zu dem Hauptteil des Reaktionszentrums, dem Teil, in dem die wesentlichen Abläufe stattfinden.
24:46
Michael hat ihm dieses Bild schon mal gezeigt. Ich möchte hier nochmal den Weg des Elektrons darstellen, von dem Paar, dem speziellen Paar, zu dem Pherophytin, zu dem QA, zu dem QB.
25:03
Und dann zurück über einen noch unbekannten Weg durch die Hemmgruppen, zurück zum speziellen Paar. Und wie gesagt, diese Seite der Struktur wird benutzt für die Elektronenübertragung.
25:23
Diese Seite der Struktur, allen experimentellen Ergebnissen nach, wird nicht benutzt. Und wenn Sie nun dieses Bild anschauen, dann sehen Sie eigentlich sofort, dass man hier auch mit Symmetrie zu tun hat.
25:43
Wenn man sich eine Achse senkrecht in vertikaler Richtung vorstellt, die durch dieses Paar hindurch geht und durch dieses Eisenatom, dann kann man in der Tat durch eine etwa 180 Grad Drehung, zum Beispiel dieses Pherophytin auf dieses rotieren, dieses Chlorophyll auf dieses,
26:08
und auch wenn es sich um chemisch verschiedene Chinone handelt, doch dieses Chinon auf das. Man sieht Abweichungen von der Symmetrie sofort, zum Beispiel die Seitenketten der Chlorophylle sind verschieden.
26:26
Trotzdem, auf den ersten Blick ist es überhaupt nicht offensichtlich, warum dieser Weg für das Elektron immer bevorzugt wird. Und, wie wir sehen werden, auch nicht auf dem zweiten Blick.
26:41
Ich möchte nun zuerst ein bisschen mehr über diese Symmetrie reden und einige weitere Abweichungen und Ähnlichkeiten diskutieren und dann zuletzt nochmal den Weg des Elektrons durch die Struktur verfolgen, wobei ich die Proteinumgebung der Chlorophylle etc. mit einbeziehe.
27:08
Der Ausgangspunkt, wie gesagt, der Reaktionen im Reaktionszentrum ist dieses Paar. Das ist ein Blick auf das Paar ungefähr senkrecht auf die Ebenen der Tetrapyrrolringe der Chlorophylle.
27:27
Und dieses Bild demonstriert die Symmetrie sehr eindrucksvoll, die Achse läuft in diese Richtung. Es ist in der Tat das strukturelle Detail, das am besten der zweizelligen Symmetrie gehorcht.
27:50
Der sogenannte Ring 1 der beiden Chlorophylle sitzt übereinander in einem Abstand von etwa 3,2 angstreben
28:00
und die Acetylgruppen an diesem Ring 1 deuten auf das Magnesiumion des benachbarten Chlorophylls. Das ist ein Blick aus der Richtung des Zytokroms. Wir können uns vorstellen, wir sitzen jetzt in diesem Zytokrom und schauen in diese Richtung.
28:23
Dargestellt sind die vier Bakterioklorophylle, also das, die zwei und das da. Das Carotinoid hier dieses Gebilde und die Transmembranhelicis der drei Untereinheiten M, L und H.
28:45
Die Symmetrie ist wieder offensichtlich, dieser Ring entspricht diesem. Die beiden Ringe des Paares sind mit ihren Ebenen ungefähr senkrecht auf die Projektionsebene. Hier sehen wir Histidin, Seitenketten, die an den Magnesiumionen der Chlorophylle binden.
29:08
Auch sie gehorchen der Symmetrie. Hier sehen wir diese kleinen Punkte, vielleicht etwas schwer zu entdecken, dieser und dieser. Das sind Wassermoleküle, die Wasserstoffbrücken zwischen den Histidin und diesen Chlorophyllen machen,
29:26
deren Rolle noch nicht verstanden ist im Geschehen innerhalb des Reaktionszentrums, die aber an außerordentlich interessanten Stellen sitzen. Auch sie gehorchen der Symmetrie.
29:41
Wenn Sie sich diese Helices anschauen, ihre Anordnung ist nahezu perfekt symmetrisch. Sogar die Knicke in den Helices ist zum Beispiel in dieser und in dieser gehorchen der Symmetrie. Abweichend von der Symmetrie ist zum Beispiel diese Helix,
30:04
die nur auf einer Seite der Struktur zu finden ist und nicht auch auf der Seite. Abweichend ist dieses Molekül, das Carotenoid, das nur auf der inaktiven Seite der Struktur zu finden ist.
30:22
Und wie gesagt auch die Konformation der Seitenketten dieser Chlorophylle. Aber das ist ein sehr eindrucksvolles Bild, wie ich glaube, dass die Symmetrie in diesem Molekül demonstriert.
30:41
Das ist nun ein etwas genauerer Blick auf die Symmetrie. Hier haben wir Folgendes gemacht. Wir haben die beiden Chlorophyllringe des Paares aufeinander rotiert, sodass sie optimal aufeinander passen. Und dann die Gruppen auf dieser Seite, auf der inaktiven Seite, also diese Gruppen hier einfach mit rotiert.
31:09
Wenn nun die Moleküle auf beiden Seiten genau aufeinander fallen würden, dann hätte man einen Beweis, dass die Geometrie, also die Abstände und die Winkel zwischen den Gruppen auf beiden Seiten gleich wären.
31:28
Was wir aber sehen ist, dass die rotierte Struktur, das ist diese rote, nicht mit der unrotierten, mit der grünen Struktur genau übereinstimmt. Es sind signifikante Abweichungen zu beobachten, sowohl in dem Monomerenchlorophyll, also hier grün-rot,
31:51
und besonders in dem Pfeffitin. Wir haben kleine, aber signifikante Unterschiede in den Abständen und in den Winkeln.
32:03
Und das könnte ein Beitrag sein, ist mit Sicherheit ein Beitrag zur funktionellen Asymmetrie. Um das wirklich mit Sicherheit sagen zu können, um solche Unterschiede feststellen zu können,
32:21
war es notwendig, die Struktur zuerst zu verfeinern. In der ersten Strukturanalyse hätten wir das noch nicht mit Sicherheit sagen können. Ein weiterer Unterschied ist hier angedeutet, ein Unterschied zwischen der inaktiven und der aktiven Seite,
32:41
und zwar ein Unterschied in der Starrheit der Struktur. Ich habe versucht, dies deutlich zu machen durch diese violetten Teile der Modelle. Das sind Teile der Struktur, die stark flexibel sind.
33:00
Und so flexibel, dass man ihre Lage im Kristall nicht mehr eindeutig erkennen kann. Wie wir sehen, sind auf der inaktiven Seite mehr solche flexible Bereiche zu erkennen, als auf der aktiven Seite, wo es nur hier um einen kleinen Teil dieser Seitenkette des Kinons, des QA, handelt.
33:30
So, nicht nur sind kleine Abweichungen in der Struktur zwischen der aktiven und inaktiven Seite zu sehen,
33:40
sondern auch Abweichungen in der Starrheit der Struktur. Natürlich beschränkt sich die Abweichung von der Symmetrie nicht auf die gerade geschilderten Details. Wir müssen uns klar sein, dass die Aminosäure-Sequenzen der Proteine L und M nur etwa 25% übereinstimmen,
34:12
also bedeutende Unterschiede in den Aminosäure-Sequenzen zu finden sind. Und die tragen natürlich auch dazu bei, dass die Umgebungen der Chlorophylle,
34:24
Pheophytinia etc. auf den beiden Seiten der Struktur verschieden sind. Und ich habe versucht, das hier zu demonstrieren. Dieses Bild ist äußerst kompliziert. Vermutlich können Sie nur wenige Einzelheiten erkennen.
34:42
Die beiden Chlorophylle des Paares, des speziellen Paares, sind hier dargestellt als gelb und grün. Und die Teile der Untereinheit L im Braun und M im Blau. Und wenn man genau hinschaut, sieht man eben die Unterschiede in der Aminosäure-Sequenz ausgedrückt
35:07
in verschiedenen Kontakten zwischen den Proteinen und den Chlorophyllen. Dies ist eine Herausforderung an die Theorie. Das Problem besteht darin, dass man es mit einem ungeheuer komplexen System zu tun hat,
35:23
in dem hunderte Jahrtausende von Atomen berücksichtigt werden sollten. Und so viel ich weiß, übersteigt das heute noch die Kapazität und die Möglichkeiten von Rechenprogrammen,
35:41
um solche komplexe Gebilde, zum Beispiel quantenmechanisch, zu untersuchen. Ich möchte noch auf diese Aminosäure hinweisen. Ein Tyrosin, das zwischen dem Paar und dem nächstgelegenen Hem des Zytokroms sitzt.
36:02
Also etwa an dieser Stelle. Und vielleicht eine Rolle spielt in der Elektronenübertragung von dem Hem, das wir uns hier vorstellen müssten, zu dem Paar. Das ist eine Zusammenfassung des Elektronenweges des ersten Übertragungsschritts von dem Paar auf das Phäophytin.
36:27
Als wir zum ersten Mal diese Struktur gesehen haben, haben wir alle geglaubt, dass es völlig natürlich wäre, wenn das Elektron von dem Paar auf das nächstgelegene Chlorophyll und dann auf das Phäophytin sich bewegen würde.
36:45
Und nun die experimentelle Lage momentan scheint so zu sein, und das ist vor allem auf Arbeiten von Jacques Breton und Jean-Louis Martin in Paris zurückzuführen, die experimentelle Lage scheint so zu sein,
37:01
dass man vermuten muss, das Elektron geht nicht über dieses monomere Chlorophyll, sondern direkt zum Phäophytin. Das ist erstaunlich und wirft die Frage nach der funktionellen Rolle dieses Moleküls auf. Das ist Gegenstand einer heißen Debatte momentan.
37:24
Und ich kann leider aus mehreren Gründen darauf nicht eingehen, aber hauptsächlich auch, weil ich die Debatte nicht ganz verstehe, die Debatte nicht ganz folgen kann. Die spielt sich zwischen Theoretikern ab und da ist es sehr leicht, den Faden zu verlieren.
37:50
Wie dem auch sei, das ist der Weg, den das Elektron oder die Struktur, durch die das Elektron seinen Weg von dem Paar zu dem Phäophytin nehmen muss, also von hier nach hier.
38:04
Das Phäophytin selbst ist nicht kovalent gebunden wie die Chlorophylle, sondern sitzt in einer Bindungstasche, die sowohl von den Untereinheiten M, hier im Blau, als auch L gebildet wird und ist gebunden durch sogenannte Wasserstoffbrücken, hier von einem Tryptophan mit einem Carbonöl-Sauerstoff.
38:29
Hartmut Michel hat am Montag die Verteilung der Tryptophan erwähnt, dass sie sich hauptsächlich in einer Schicht an dieser Membranoberfläche, an der perlplasmatischen Membranoberfläche aufhalten.
38:44
Einige aber sind in der Membran zu finden und dass es eines davon seine Funktion ist, dieses Phäophytin zu binden. Eine weitere interessante Wechselwirkung des Phäophytins mit dem Protein ist diese Glutaminsäure hier.
39:02
Sie ist eine der nominell geladenen Aminosäuren, die am weitesten in den Membranteil der Struktur hineinreichen. Und nach allen Kriterien müssen wir annehmen, dass diese Glutaminsäure protoniert ist, dass sie also nicht geladen ist.
39:22
Denn wäre sie geladen, so wäre sie negativ und ein Elektron hätte erheblich größere Mühe, auf dieses Phäophytin überzugehen aus dieser Richtung, als wenn man hier eine elektrisch neutrale Umgebung hätte.
39:43
Dieses Tryptophan ist interessant, weil es eine Verbindung herstellt zwischen dem Phäophytin und dem Kinon. Wo das Elektron als nächstes hingehen muss. Hier sehen Sie einen Blick auf eine Schicht durch die Struktur, etwa in dieser Höhe,
40:04
dass die beiden Kinone und ihre Umgebung und auch das Eisen enthält. Das Eisen sieht man hier in der Mitte, gebunden mit vier Histidien, zwei von jeder Untereinheit, L hier in Braun, M in Blau.
40:20
Und einer Glutaminsäure, auch von der Untereinheit M. Das hier ist das QA, ein Mennachino 9. Es ist mit zwei Wasserstoffbrücken gebunden, einmal an eins der Eisenbindenden Histidiene und einmal an eins, ein Peptidstickstoff des Proteins.
40:45
Hier ist dieses Tryptophan, das die Brücke macht zwischen dem Phäophytin und diesem Kinon. Dieses Kinon sitzt in einer wohl abgeschirmten Bindungstasche, die sehr hydrophobisch ist, mit Ausnahme dieser polaren Wechselwirkungen.
41:04
Sie ist sehr gut abgeschirmt durch die H-Unteinheit vom Zytoplasma. Anders ist es mit der QB-Bindungstasche, die man hier sieht. Das QB, wie gesagt, hat erheblich andere Eigenschaften als das QA.
41:23
Es hat diese Fähigkeit, zwei Elektronen aufzunehmen, protoniert zu werden. Und es hat die Fähigkeit, die Tasche zu verlassen und so eine Art Shuttle-Mechanismus für die Protonen, Elektronen zu sein. Das hat dazu geführt, dass während der Kristallisation oder schon während der Reinigung ein Teil dieser Kinone verloren gegangen ist.
41:49
Das heißt, ein Teil der Reaktionszentren enthielt dieses Kinon überhaupt nicht. Und was man hier sieht in der Struktur ist ein Modell, das aufgrund von etwa 30 bis 40 Prozent Besetzungsdichte an dieser Stelle gebaut worden ist.
42:10
Viel besser als das Kinon selbst binden an diese Bindungstasche sogenannte Herbizide. Und hier sehen wir eins davon, das Terbutrin.
42:24
Herbizide, die eigentlich entwickelt worden sind gegen grüne Pflanzen. Und die Tatsache, dass solche Herbizide auch an bakterielle Reaktionszentren binden, ist eine von vielen Hinweisen auf die Ähnlichkeit von Strukturen der bakteriellen Reaktionszentren und pflanzlichen Reaktionszentren.
42:49
Vielleicht kann ich darauf am Schluss noch eingehen. Dieses Terbutrin bildet andere Wasserstoffbrücken oder bildet eine der beiden Wasserstoffbrücken analog zu dem Kinon.
43:04
Aber es hat keine Wechselwirkung mit dem Histidin. Das Molekül kann kein Elektron aufnehmen und deswegen wird der Fluss der Elektronen durch das Reaktionszentrum gestoppt an dieser Stelle.
43:21
Und das reicht aus, um die ganze Struktur inaktiv zu machen. Hartent hat auch das Orthophenanthrolin erwähnt. Das ist eine Studie der Bindung von Orthophenanthrolin an die QB-Bindungstasche. Das interagiert mit dem Histidin allein und nicht mit Peptid-Stickstoffen auf dieser Seite.
43:45
Hier sieht man einige andere Charakteristika dieser Bindungstasche. Das ist zum Beispiel eine Glutaminsäure, die auf dem Boden der Bindungstasche sitzt und vermutlich einen Einfluss oder eine Funktion bei der Protonierung des QBs hat.
44:04
Das ist die Bindungstasche selbst mit dem QB gebunden. Und man sieht, wie die Proteine hier so eine Höhle bilden, wo der Kopf des Kinons hinein ragt.
44:21
Das ist ein Blick aus dieser Richtung, aus der Richtung dieses Ferfetins. Und noch ein Blick auf das Eisen. Wie gesagt, es sind vier Histidine, die das Eisen binden, und eine Glutaminsäure. Das Ganze bildet einen verzerrten oktayedrischen Komplex.
44:46
Und eine der erstaunlichen Experimentellenbefunde, die die Gruppe von George Fair gefunden hat, ist, dass, obwohl dieses Eisen genau zwischen den beiden Kinonen sitzt,
45:04
es doch keinen merklichen oder keinen dramatischen Einfluss auf den Elektronentransfer zwischen den beiden Kinonen zu haben scheint. Das ist auch etwas, was ich persönlich nicht verstehe bisher. Ich habe kurz vorhin den Zusammenhang zwischen bakteriellen und pflanzlichen Reaktionszentren erwähnt.
45:28
Ich sollte erwähnen, dass Pflanzen einen sehr viel komplizierteren Photosyntheseapparat haben als Bakterien. Das ist der Grund, warum man sich am Anfang oder in den 70er Jahren hauptsächlich mit diesen Bakterien befasst hat.
45:47
Bevor die Struktur bekannt geworden ist, gab es eine Übereinstimmung unter vielen Photosyntheseforschern, dass das Photosystem II der grünen Pflanzen eine sehr viel andere Organisation haben sollte als das bakterielle Reaktionszentrum.
46:11
Mit bekannt werdender Struktur aber fiel auf und eigentlich schon durch Vergleich der Aminosäuresequenzen von den Untereinheiten L und M
46:25
und den sogenannten D1 und D2-Proteinen aus dem pflanzlichen Pflanzlichen Reaktionszentrum, aus dem Photosystem II Reaktionszentrum, fiel auf, dass gewisse entfernte Ähnlichkeiten bestehen.
46:42
Und nachdem man die strategisch wichtigen Aminosäuren in dieser Struktur gefunden hatte, zum Beispiel Histediene, die das Eisen binden oder das spezielle Paar binden, fiel auf, dass genau diese wichtigen Aminosäuren bevorzugt erhalten sind in den Sequenzen dieser Proteine.
47:11
Und das zusammen mit den Herbizidbindungsstudien etc. etc. führte zu der
47:21
Gewissheit heutzutage, dass man mit dieser Struktur auch ein einigermaßen brauchbares Modell des Photosystem II Reaktionszentrums der grünen Pflanzen vor sich hat. Es gibt noch einige mehr, einige weitere interessante Ähnlichkeiten oder
47:45
Konservierungen in dieser Struktur, die sind zusammengefasst auf diesem Bild, wo nun die Untereinheiten L und M dargestellt sind, Gehelices als Säulen, und die erhaltenen Aminosäuren,
48:01
das heißt die Aminosäuren, deren chemische Natur zwischen dem Bakterium und den Pflanzen gleich ist, die sind hier namentlich genannt, also mit ihren Aminosäurennummern genannt, und man sieht, dass sie hauptsächlich an den Membranoberflächen lokalisiert sind oder ausschließlich,
48:21
dass sie um die wichtigen Bindungsstellen der Chlorophylle und des Eisens, der Kinone lokalisiert sind. All das und auch an Stellen der Struktur, wo die Helices aufhören, wo Knicks oder wo die helikale Struktur in anders gefaltete Strukturen übergeht.
48:45
Und all das zusammen, wie gesagt, das sind sehr starke Hinweise, dass man durchaus von dieser Struktur auf grüne Pflanzen zumindest auf Photosystem II schließen kann. Natürlich Photosystem II hat kein solches Zytokron, es hat keine Haar
49:05
-Unterinheit, anstelle des Zytokrons sitzt wahrscheinlich der Wasserspalten, die Komplex, etc. Aber darauf kann ich jetzt nicht näher eingehen. Ich glaube, meine Zeit ist zu Ende.
49:21
Ich sollte nochmal einige Kollegen erwähnen, die mit beigetragen haben zu dem Erfolg dieses Projekts. Natürlich hatten Michel, er hat schon in seinem Vortrag auf eine komplette Liste der Mitarbeiter genannt.
49:40
Ich möchte hier an dieser Stelle nur nochmal besonders Kunio Mickey und Otto Epp nennen, mit denen ich persönlich sehr eng zusammengearbeitet habe und die wesentlich mit verantwortlich waren für den Erfolg. Herzlichen Dank.