Welche Rolle spielt die Verlagerung von Wasserstoffionen (Protonen) bei der Funktion von Proteinen?

Der SFB 1078 hatte sich zum Ziel gesetzt, ein neues mechanistisches Prinzip im Verständnis der Wirkungsmechanismen von Proteinen einzuführen: die Kontrolle und Koordination komplexer Proteinfunktion durch Protonierungsdynamik.

Die Protonenbewegungen in den funktionell wichtigen Netzwerken aus Wasserstoffbrückenbindungen passieren in verschiedenen Zeit- und Längenskalen. Das reicht von Femtosekunden bis Sekunden und von weniger als 0,1 Nanometern bis mehr als 10 Nanometern. Um die Vorgänge besser zu verstehen, wurden Experimente mit Theorie und Simulationen verbunden.

Wichtige Modellproteinsysteme

Unterschiedliche Teile der Protonierungsdynamik wurden an zwei für die biologische Energieumwandlung wichtigen Proteinen untersucht: Die Sauerstoffreduktion, die an das Protonenpumpen durch die Cytochrom-c-Oxidase gekoppelt ist, und die Wasseroxidation, die durch Photosystem II katalysiert wird.

Es wurde festgestellt, dass größere strukturelle Änderungen den Elektronentransfer in Proteinen verlangsamen oder sogar unterbinden können. Lichtinduzierte Konformationsänderungen spielen eine entscheidende Rolle im Mechanismus von Phytochromen, Channelrhodopsinen und pH-gesteuerten Protonenkanälen. Letztere wurden in ihrer Funktionalität verglichen mit den pH-gesteuerten Viroporinen. Diese Veränderungen sind oft mit Protonbewegungen verbunden oder werden durch sie angetrieben.

Entwicklung neuer Methoden für membrangebundene Proteine

Ein wesentlicher Aspekt der Forschung im SFB 1078 war die Entwicklung und Anpassung verschiedener experimenteller und theoretischer Methoden an die Erfordernisse der spezifischen Proteinsysteme. Darunter fielen der Einbau nicht-kanonischer Aminosäuren in Proteine, die zeitaufgelöste serielle Femtosekunden-Röntgenkristallographie, die Kernspinresonanz-Spektroskopie bei hohen Magnetfeldern, die zeitaufgelöste elektronische und Schwingungsspektroskopie über einen großen dynamischen Bereich sowie die multiskaligen Modellierungsansätze aus der Quantenmechanik, der Molekulardynamik-Simulation und deren Hybriden. Die Anwendung solch hochentwickelter Techniken auf die Proteine des SFB war herausfordernd, da es sich bei den meisten um integrale Membranproteine handelt.

Der SFB 1078 erreichte sein ursprünglich gestecktes Ziel, die Protonierungsdynamik als wichtiges Element der Funktionsmechanismen von fünf ausgewählten Proteinfamilien umfassend zu verstehen und diesen Prozess damit als generisches Prinzip der Proteinfunktion zu begreifen.

Sprecher

Professor Dr. Holger Dau (2013 - 2017) 

Professor Dr. Joachim Heberle (2017 - 2024)

Beteiligte Arbeitsgruppen

AG Alexiev, AG Clementi, AG Dau, AG Heberle, AG Heyne, AG Kozuch, AG Netz, AG Schlesinger sowie AG Block, AG Imhof, AG Bondar

Zahlen

• 29,9 Mio Euro Förderung
• über 430 Publikationen
• 8 strategische Berufungen
• 72 abgeschlossene Promotionen

Beteiligte

• Freie Universität Berlin
• Technische Universität Berlin
• Technische Universität Dresden
• Humboldt-Universität zu Berlin
• Charité - Universitätsmedizin Berlin
• Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie
• Justus-Liebig-Universität Gießen
• Hebrew University of Jerusalem in Israel

Zum SFB 1078