Vielen Dank für die Einführung.
Ich möchte noch betonen, dass es immer eine große Freude ist, hier zu sein.
Wir wechseln das Thema - jetzt geht es um Chemie und Biologie, in erster Linie um strukturelle und mechanistische Chemie.
Zu Beginn zeige ich Ihnen, wo ich arbeite.
Das ist das Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt.
Wir befassen uns mit Membranproteinen - mit membrangebundenen Proteinen, die viele verschiedene Funktionen haben.
Mein heutiger Schwerpunkt liegt allerdings auf den Enzymen,
die den Sauerstoff in unserem Körper oder im Körper von Bakterien oder anderen Mikroorganismen reduzieren und Energie erzeugen.
Zu Beginn stelle ich Ihnen eine Frage: Was war die größte Katastrophe, die sich je auf der Erde ereignet hat?
Das war die so genannte große Sauerstoffkatastrophe, auch Sauerstoffkrise genannt.
Hierbei handelt es sich um das größte Aussterbeereignis der Erdgeschichte.
Verursacht wurde es von den lebenden Organismen, vor allem von den Vorfahren der heutigen Cyanobakterien.
Das sind kleine Algen, die die Photosynthese erfunden haben, die oxygene Photosynthese,
die die Freisetzung von Sauerstoff verursacht.
Das war die große Katastrophe.
Hier sehen Sie, dass die ursprüngliche Erdatmosphäre reduzierend war.
Die Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren.
Leben gibt es wahrscheinlich seit etwa 4 Milliarden Jahren.
Die oxygene Photosynthese begann vor etwa 3 Milliarden Jahren,
doch der dadurch produzierte Sauerstoff richtete nicht viel Schaden an, da es viele reduzierende Substanzen gab.
Es gab also keinen freien Sauerstoff.
Erst vor etwa 2,5 Milliarden Jahren stieg der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre signifikant an.
Und das war eine Katastrophe, denn jetzt befindet sich molekularer Sauerstoff in der Atmosphäre.
Das ist Triplett-Sauerstoff.
Es ist das, was wir einatmen und nutzen.
Doch 4 der anderen Sauerstoffarten, die Sie hier sehen, richten großen Schaden an.
Wenn ein Energietransfer zum Triplett-Sauerstoff durch Farbstoffe, durch angeregte Farbstoffe stattfindet,
erhält man Singulett-Sauerstoff, der die meisten organischen Verbindungen oxidiert.
Wenn man dem Sauerstoff, dem Disauerstoff, ein Elektron hinzufügt,
erhält man ein Superoxid-Radikal, das sehr stark oxidierend ist.
Das zweite Elektron plus 2 Protonen ergibt Wasserstoffperoxid, das ebenfalls sehr stark oxidierend ist.
Man verwendet es zum Sterilisieren.
Wen man ein drittes Elektron und ein Proton hinzufügt, erhält man 2 Hydroxylradikale.
Hydroxylradikale sind die schädlichsten oxidierenden Substanzen, die es gibt.
Und wenn man zum Schluss nach dem 4. Elektron noch ein Proton hinzufügt, erhält man 2 Wassermoleküle.
Diese reaktiven Sauerstoffarten verursachten den Tod der meisten zu jener Zeit lebenden Organismen.
Natürlich mussten die Organismen mit der Bedrohung umgehen.
Und natürlich konnten einige versuchen, in sauerstofffreien Nischen wie etwa Minen zu überleben.
Es gibt auch Möglichkeiten, gefährliche Zwischenprodukte zu entfernen, zum Beispiel durch Superoxiddismutase und Peroxidkatalase.
Am besten entfernt man molekularen Sauerstoff dadurch, dass man ihn durch Sauerstoffreduktase zu Wasser reduziert.
Hier sind die in der Biologie bekannten Sauerstoffreduktasen aufgeführt.
In sogenannten methanogenen Archaeen verrichten Di-Eisen-Flavoproteine diese Arbeit.
Darüber ist nicht viel bekannt.
Ich zeige Ihnen dazu ein paar strukturelle Daten.
Pflanzen und viele Mikroorganismen enthalten eine gegen Cyanid unempfindliche alternative Oxidase,
die an energieumwandelnden Membranen anhaftet, sie aber nicht überspannt.
Und dann gibt es 2 große Klassen:
die Häm-Kupfer enthaltende Terminaloxidase und die Cytochrom-bd-Oxidase, die Hydrochinon oxidiert.
Hier sehen Sie die Struktur des Di-Eisen-Flavoproteins von methanogenen Archaeen.
Wie Sie sehen, gibt es ein Di-Eisen-Zentrum, und hier sehen Sie 2 Flavinmoleküle,
die der Zuführung von Elektronen zur Reduktion von Sauerstoff zu Wasser dienen.
Mittels Röntgen-Kristallographie können wir ins Detail gehen: Hier sehen Sie die 2 Eisenatome.
Hier sehen Sie die Liganden.
Hier sehen Sie die überbrückende Carboxylatgruppe.
Jetzt haben Sie eine ungefähre Vorstellung davon, wo der Sauerstoff gebunden und reduziert werden könnte.
Um die Bildung dieser reaktiven Sauerstoffarten zu verhindern, muss das sehr schnell geschehen.
Aber wie ich schon sagte, über das Enzym ist nicht viel bekannt.
Wenden wir uns der membranintegrierten Terminaloxidase zu.
Das ist, wie erwähnt, Cytochrom-bd.
Es gibt die Angehörigen der Häm-Kupfer enthaltenden Terminaloxidasen,
die den Sauerstoff nicht nur entgiften, indem sie ihn reduzieren.
Sie verwenden die - jedenfalls für Biologie und Chemie - gewaltige Energie der Sauerstoff-Reduktionsreaktion
zur Bildung biologischer Energieformen durch die Erzeugung elektrischer Spannungen über Membrane hinweg
und zur Ausbildung von pH-Gradienten über diese Membrane.
Das Paradebeispiel hierfür ist die mitochondriale Atmungskette, die Sie in Ihrem Körper haben.
Die mitochondriale Atmungskette beginnt hier mit NADH.
NADH, das sollte ich erwähnen, ist fester Wasserstoff.
Wenn wir Wasserstoff zur Verfügung hätten, würde er ausdiffundieren und schließlich im Weltall verschwinden.
Das wollen wir nicht.
Deshalb ist Wasserstoff in der Biologie zu einem Coenzym verfestigt, das man NADH nennt.
Und hier ist es oxidiert.
Das Elektron wird auf Hydrochinon übertragen.
Und dann wandert das Elektron weiter.
Es wandert weiter auf einem sogenannten Komplex III, das ist dieser Komplex.
Und in diesem Komplex werden Protonen über die Membran gepumpt.
Auch im Komplex I werden Protonen über die Membran gepumpt.
Schließlich gibt es hier in der Atmungskette den Komplex IV, die Cytochrom-c-Oxidase, die Cytochrom-c oxidiert.
Cytochrom wird durch Komplex III reduziert.
Und das ist die Terminaloxidase.
Diese Komplexe arbeiten mit der Übertragung von Protonen über die Membran.
Das hier ist die Membran.
Sie ist elektrisch gebunden, weshalb man diese elektrischen Spannungen erzeugen kann.
Die elektrische Spannung und der pH-Gradient schicken die Protonen durch die ATP-Synthase zurück.
Das ist ein sehr kleiner Rotationsmotor.
Dieser Motor erzeugt ATP, die grundlegende Energiewährung des Lebens, aus ADP und anorganischem Phosphat.
Das geschieht ständig in Ihrem Körper.
Ihr Körper produziert täglich etwa 70 Kilogramm ATP.
Die Häm-Kupfer-Terminaloxidasen der Überfamilie nutzen Elektronen von Cytochrom-c,
einige von Hydrochinon und andere von HIPIPs - das sind Eisen-Schwefel-Proteine.
Sie kommen alle von der Außenseite der Membran.
Sie verwenden Protonen von der Membran-Innenseite.
Sie pumpen weitere Protonen über die Membran, um die Energieausbeute zu steigern.
Die Häm-Kupfer-Terminaloxidasen zeigen grundsätzlich diese Reaktion: Es gibt natürlich das Disauerstoff-Molekül.
4 Protonen sind an der Innenseite der Membran und 4 Cytochrom-Moleküle an der Außenseite der Membran.
Dann gibt es den in der Membran diffundierenden Sauerstoff.
Der Sauerstoff wird in der Membran angereichert, diffundiert in der Membran.
Hier ist die aktive Stelle.
Man erhält die Elektronen von der Außenseite und die Protonen von der Innenseite.
Diese Enzymfamilie hat außerdem einen Mechanismus entwickelt, durch den sie 2 bis 4 weitere Protonen über die Membran pumpt,
um die elektrische Spannung - auch Membranpotential genannt - und den pH-Gradienten zu erhöhen.
Wir wollen verstehen, wie dieser Mechanismus funktioniert.
An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass dieses Enzym seit vielen, vielen Jahren bekannt ist.
Ein schottischer Spektroskopiker hat es im Jahr 1887 entdeckt.
Wir wissen aber immer noch nicht, wie es funktioniert.
Otto Warburg hat das Projekt in Deutschland wiederaufgenommen.
1931 erhielt er den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin
für seine Entdeckung des Wesens und der Wirkungsweise des Atmungsenzyms.
Man könnte glauben, dass schon alles bekannt ist, aber ich muss gestehen,
dass wir nicht wissen, wie dieser Mechanismus funktioniert.
Es ist immer noch eine Herausforderung, und ich hoffe, dass einige der hier versammelten gescheiten Studenten
zu unserem weiteren Verständnis dieses Mechanismus beitragen können.
Nachzutragen ist, dass Otto Warburg noch andere wichtige Leistungen vollbracht hat.
Er stellte die Theorie auf,
dass Krebszellen Energie durch Glykolyse erzeugen - das ist nur die Vergärung von Zucker -, aber nicht durch Zellatmung.
Die Zellatmung ist bei der Energieerhaltung annähernd 10-mal so effizient wie die Glykolyse.
Und die Glykolyse produziert auch Protonen.
Heute ist allgemein anerkannt, dass Krebszellen in erster Linie von Glykolyse leben, nicht von Zellatmung.
Er präsentierte diese Theorie hier im Jahr 1966, also vor 50 Jahren.
Morgen ist der 50. Jahrestag seines Vortrags.
Die Häm-Kupfer-Oxidasen sind in einem lebenden Organismus ziemlich weit verbreitet.
Die Überfamilie hat 3 Familien; das ist die Typ-A-Familie.
Hier haben wir die Tiere, die Säugetiere, und gleich daneben die Bakterien, deren Enzyme sehr nah verwandt sind.
Hier haben wir die Typ-B-Familie und die Typ-C-Familie.
Im Labor haben wir mit den Familien der Typen A und C begonnen.
Die 3 Familien unterscheiden sich im Hinblick auf Elektronendonatoren, die Zusammensetzung der Untereinheit und die Häm-Arten.
Die A-Familie hat hier die zentrale Untereinheit mit der binuklearen Stelle, wo der Sauerstoff gebunden und reduziert wird,
und sie hat 2 Kanäle - Pfade - für die Übertragung von Protonen.
Einer führt hier entlang direkt zur aktiven Stelle, die sich hier befindet.
Und der andere verläuft daneben, ebenfalls zur aktiven Stelle.
Er leitet irgendwie Protonen zur aktiven Stelle und zur Außenseite um, damit Protonen gepumpt werden.
Die Typ-B-Oxidase hat nur einen dieser Protonen-Übertragungskanäle.
Ansonsten sind sie sich ziemlich ähnlich.
Die Typ-C-Oxidasen sind ganz anders.
Sie enthalten nicht diese gelbe Untereinheit.
Stattdessen gibt es einige Cytochrom-Moleküle, die Häm-Gruppen enthalten,
und hier ist kein Kohlenstoffzentrum zur Rückführung von Elektronen zur aktiven Stelle.
Ich sollte erwähnen, dass es hier ein Paradox gibt, denn sie scheinen bereits in der belebten Welt aufgetaucht zu sein,
bevor die photosynthetische Sauerstoffentwicklung erfunden wurde.
Die Frage lautet also: Was war die ursprüngliche Funktion dieser Oxidasen?
Nach einer Theorie entstammten sie den Stickstoffmonoxid-Reduktasen.
Diese Theorie kann man aber verwerfen, da die Stickstoffmonoxid-Reduktasen mit den Typ-C-Häm-Kupfer-Oxidasen eng verwandt sind
und wahrscheinlich erst sehr spät in der Evolution auftauchten.
Wir versuchen, mithilfe von Röntgenkristallographie mehr zu verstehen,
um die Struktur zu erkennen und Hinweise auf die Funktion zu erhalten.
Und immer noch liegt die Schwierigkeit darin, Kristalle zu erhalten.
Es ist heute schon viel einfacher geworden.
Als ich am photosynthetischen Reaktionszentrum arbeitete, benötigten wir Kristalle mit einem Durchmesser von mindestens 0,5 mm.
Heutzutage verwendet man dafür Kristalle von 10 Mikrometern – mit Röntgenkristallographie am Synchrotron.
Was ebenfalls sehr verblüffend ist: Ich brauchte 4 Monate zur Erhebung eines Datensatzes.
Heutzutage wird das am Synchrotron in 8 Sekunden erledigt.
Daran können Sie erkennen, wie sich die technische Entwicklung beschleunigt hat.
Mit dieser Cytochrom-c-Oxidase erhielten wir das Kristall,
anhand dessen wir 1995 die Struktur, die erste Struktur dieses Typs veröffentlichen konnten.
Hier sehen Sie in gelb die Zentraleinheit, die Untereinheit 1,
die hier die Häm-Gruppen und das Kupfer-B enthält, wo der Sauerstoff gebunden und reduziert wird.
Sieht man sich die atomaren Details genauer an, erkennt man hier 2 Kupfer-A-Atome.
Die Kupfer-A-Atome erhalten die Elektronen vom Cytochrom-c, von hier.
Die Elektronen springen hinunter auf dieses Häm-A, das weiß man von der Spektroskopie,
dann werden die Elektronen weiter auf das Häm-A3 übertragen.
Und daneben haben wir das Kupfer-B, wo das Elektron hier zwischen den 2 Metallen äquilibrieren kann.
Der Sauerstoff wird hier gebunden, wenn die 2 Metalle reduziert sind.
So sieht die Elektronendichte aus.
Überraschend war, dass sich daneben die Querverbindung eines Tyrosin-Moleküls befand, kovalent mit dem Histidin daneben verbunden.
Das Histidin ist ein Ligand dieses Kupfer-B-Moleküls, was vielleicht einen Hinweis darauf gibt, dass Radikale an der Reaktion
beteiligt sind, denn Radikale, Tyrosin-Radikale, können Querverbindungen dieser Art mehr oder weniger spontan bilden.
Die Funktion der Struktur - eine andere Darstellung,
jetzt mit Balken, die Ihnen die Transmembran zeigen, die Helix-Transmembran, Proteinstränge.
Hier ist die aktive Stelle; der K-Pfad, der direkt zur aktiven Stelle führt und hier der D-Pfad, der hier etwas kurviger ist.
Beide übertragen Protonen.
Auf der anderen Seite haben wir die Cytochrom-c-Bindung; Cytochrom-c liefert hier das Elektron für die Reaktion.
An dem ganzen Prozess sind 8 Protonen beteiligt, 1 Sauerstoff- und 4 Cytochrom-c-Moleküle - das sind 13 Substanzen.
Aber wir haben keine Ahnung, in welcher genauen Reihenfolge diese 13 Substanzen an der binuklearen Stelle eintreffen
und wie sie eingesetzt werden.
Der Protonentransfer sollte nach dem Grotthuß-Mechanismus ablaufen.
Wir haben also eine wasserstoffgebundene Kette wie diese.
An einem Ende der Kette kann man ein Proton hinzufügen.
Dann verlagert man das Proton, woraufhin das Elektron hier abgegeben wird.
Dann kann man entlang dieser Bindung zurückrotieren, und an dieser Stelle wird ein Proton abgegeben.
Man muss das Proton durch diesen Mechanismus übertragen, von hier nach dort.
Das kann in dem System tatsächlich geschehen,
denn hier sehen Sie eine sehr schöne Wasserkette mit einigen beteiligten Aminosäureresten.
Das ist der D-Pfad; hier ist eine Wasserkette, die hier nach oben zu Glutamatresten führt.
Doch hier wird sie von einigen Asparaginresten unterbrochen; sie ist gesperrt.
Das verhindert wahrscheinlich ein paar schlimme Nebenreaktionen, und wir müssen diese Sperre für den Protonentransfer entfernen.
Was hat es mit dem Pumpen von Protonen auf sich?
Das bisher überzeugendste Prinzip ist das Prinzip der Ladungskompensation.
Es sagt im Wesentlichen aus, dass jeder Elektronentransfer in den hydrophoben Teil des Enzyms
durch die Aufnahme eines Protons von der gegenüberliegenden Seite der Membran ladungskompensiert wird.
Damit bildet man im Protein eine Art Ionenpaar, das energetisch günstiger sein soll,
als wenn es eine einzelne negative Ladung des Elektrons an der Vorderseite der Membran gäbe.
Die Protonen, die über den D-Pfad zur Kompensation der negativen Ladung der reduzierenden Elektronen aufgenommen werden,
sind jene, die gepumpt werden.
Dann kommt ein anderes Elektron herein, direkt zur aktiven Stelle, und dieses Elektron stößt die Protonen,
die zuerst aufgenommen wurden und an der aktiven Stelle verbraucht werden, elektrostatisch ab.
Das ist wohl der von den meisten akzeptierte Mechanismus, aber es gibt noch ein paar Zweifel.
Eine Frage war ziemlich lang umstritten: Was befindet sich an der aktiven Stelle zwischen dem Häm-Eisen und dem Kupfer-B?
Im Jahr 2006 wurde dann eine weitere Struktur veröffentlicht.
Es war recht klar, dass das schon hier befindliche Peroxid gut zu der oxidierten Form passt,
aber im oxidierten Enzym wird es nicht erwartet.
Eine noch sorgfältigere Analyse unserer Struktur ergab,
dass in unserer mit 2,2 Angström aufgelösten Struktur ein Disauerstoff am besten in diese Brücke passte.
Wir glauben also, dass es dort ein Peroxid-Dianion gibt, aber das wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht akzeptiert.
Für mich ist Peroxid in der aktiven Stelle attraktiv,
denn es passt am besten zur Elektronendichte in dem durch die Struktur vorgegebenen Enzym.
Ein überbrückendes Peroxid-Dianion würde die beste elektrostatische Kompensation für positive Ladungen
am Eisen des Häm-a3 und des Kupfer-B bieten.
Es könnte mit der ersten Reduktion einzeln protoniert werden und mit der zweiten Reduktion ein zweites Proton empfangen.
Es könnte die binukleare Stelle verlassen und sie für die Disauerstoff-Bindung zur Verfügung stellen.
Diese Sequenz würde erklären, warum eine einzeln reduzierte aktive Stelle keinen Disauerstoff bindet.
Ein paar Worte zum katalytischen Zyklus der Cytochrom-c-Oxidase:
Wenn man das Enzym isoliert, liegt es normalerweise in oxidierter Form vor.
Dann beginnt man damit, das Enzym zu reduzieren, normalerweise durch Cytochrom-c.
Man nimmt gleichzeitig ein Proton auf und erhält ein Elektron in reduzierter Form.
Dann fügt man das zweite Elektron hinzu, das zweite Proton, und man erhält die reduzierte Form.
Und wenn sich an der binuklearen Stelle 2 Elektronen befinden, kann man Sauerstoff binden.
Sie bildet ein Addukt, so ähnlich wie Myoglobin oder Hämoglobin, und dann setzt sich die Reaktion fort.
Die Ansicht ging dahin, dass dies durch den Transfer eines Protons zum Sauerstoff ein Peroxid bildet.
Das wurde aber verworfen.
Und es ist klar, dass wir schon hier einen Oxoferryl-Zustand haben.
Wir haben einen gespaltenen Sauerstoff, der hier gebunden ist.
Wenn das dritte Elektron hinzugefügt wird, erhält man den sogenannten Oxoferryl-Zustand, das vierte Elektron, und man ist zurück.
Das Problem mit diesem katalytischen Zyklus liegt darin, dass die gereinigte, oxidierte Form bereits ein Peroxid-Dianion enthält,
welches das Häm-a3-Eisen und das Kupfer-B überbückt.
Das weiß man heute mit Sicherheit, da unsere japanischen Kollegen die Strahlung des Freie-Elektronen-Lasers nutzten,
mit einem Röntgenpuls von 20 Femtosekunden.
Man trifft die Kristallposition einmal und erhält ein Beugungsmuster, bevor Strahlungsschäden auftreten können.
Hierzu verlagerten sie den Kristall mehrere tausend Male.
Sie erhielten einen vollständigen Datensatz und konnten später feststellen,
dass zwischen dem Häm-a3-Eisen und dem Kupfer-B eine Peroxidbrücke ist.
Das wird uns dazu veranlassen, den Mechanismus und die Funktion der Cytochrom-c-Oxidase zu überdenken.
Ich möchte erwähnen, dass der sogenannte P-Zustand bereits 1 Oxoferryl-Eisen enthält.
Die Disauerstoffbindung ist gespalten.
Das wurde durch Resonanz-Raman-Spektroskopie festgestellt,
hauptsächlich in Japan durch Kitagawa und später von der Babcock-Gruppe in den Vereinigten Staaten.
Wenn man die Disauerstoffbindung spalten möchte, benötigt man hierzu 4 Elektronen.
3 Elektronen können vom Häm-a3-Eisen und dem Kupfer-B geliefert werden, genauer gesagt: 2 vom Häm-a3-Eisen und 1 vom Kupfer-B.
Es wird postuliert, dass das fehlende vierte Elektron von diesem verbundenen Tyrosinrest stammt.
Ich halte das für einen überzeugenden Vorschlag, aber es ist klar, dass es während des Zyklus keinen Peroxidzustand gibt.
Jetzt wechsle ich das Thema und erzähle Ihnen etwas über die cbb3-Cytochrom-c-Oxidase.
Die C-Familie wurde vor noch gar nicht so langer Zeit entdeckt, in den Neunzigern.
Es handelt sich um wichtige Enzyme zur Stickstofffixierung in Rhizobien.
Sie entfernen den Sauerstoff, um die anaeroben Bedingungen,
die für die Stickstofffixierung erforderlich sind, aufrecht zu erhalten.
In Gegenwart von Sauerstoff wird der Stickstofffixierungsapparat zerstört.
Sie sind außerdem wichtig für die Pathogenität einiger Bakterien
wie Helicobacter - die Magengeschwüre hervorrufen - und Campylobacter.
Mit den Terminaloxidasen der Typen A und B haben sie nur die Untereinheit 1 gemeinsam,
genannt FixN - nach „nitrogen fixation“ (Stickstofffixierung).
Zur Elektronenzufuhr verwenden sie die stark gebundenen Cytochrom-c-Untereinheiten.
Wir haben die Struktur des Pseudomonas stutzeri-Enzyms bestimmt.
Hier sehen Sie die Struktur: Das ist die Untereinheit 1.
Hier ist die zweite Untereinheit, ein Cytochrom-c, eine dritte Untereinheit, die hier 2 Häm-Gruppen enthält.
Im Vergleich dazu ist die Architektur der zentralen Untereinheit ziemlich ähnlich, was den transmembranen Teil betrifft.
Aber wenn man die Schleifen auf beiden Seiten der Membran betrachtet, zeigen sich Unterschiede.
Was den Elektronentransfer betrifft, ist es am wahrscheinlichsten,
dass dieses Häm hier ein Elektron von einem löslichen Cytochrom erhält.
Nach dem Elektronentransfer geht es hier hinunter,
und dann den letzten Schritt zur aktiven Seite, die jetzt das Häm-b3 und Kupfer enthält.
Im Allgemeinen sind die Entfernungen für den Elektronentransfer kürzer als bei den Typ-A-Oxidasen,
was einen schnelleren Elektronentransfer, einen besseren Sauerstoffeinfang
und einen niedrigeren KM-Wert für die Sauerstoffbindung hier zur Folge hat.
Die Enzyme sind also effizienter.
Wenn man sich das genauer ansieht, kann man hier das Kupfer-B erkennen, das Häm-a3-Eisen.
Hier ist auch ein verbundenes Tyrosin, aber das ist ganz anders.
Es gibt ein paar Unterschiede zu anderen Resten.
Hier sind Glutamatreste, womit man gar nicht gerechnet hatte.
Hier haben wir außerdem eine Kalzium-Ionen-Bindung, die hier an 3 der Hämpropionate gebunden ist.
Sie neutralisiert 1 Arginin.
Wir haben also 3 positive Ladungen, 1 Arginin, zweimal Kalzium,
welche die 3 negativen Ladungen an den Hämpropionaten hier kompensieren.
Das scheint wichtig zu sein.
Ein weiterer wichtiger Unterschied zu den Enzymen der A-Familie besteht darin,
dass der verbundene Tyrosinrest von einer anderen Transmembranhelix stammt.
Bei Typ A ist es der grüne, von dieser Helix, und in der Typ-C-Familie stammt er von dieser Helix.
Wie Sie sehen, verbinden sie sich hier im selben Rest.
Damit hatte man natürlich nicht gerechnet, doch die Verbindung ist auch durch Massenspektrometrie sehr gut bestätigt.
Hier sehen Sie dasselbe in einer anderen Ansicht.
Bei den Typ-A-Familien kommt der Tyrosinrest von dieser Helix,
und bei der Typ-C-Familie stammt der Tyrosinrest von dieser Familie.
Es gibt ein K-Pfad-Äquivalent, das den Protonentransfer zu einer aktiven Stelle ermöglicht.
Wir können außerdem eindeutig zeigen, dass der D-Pfad fehlt.
Hier sind Sperren.
Der D-Pfad, hydrophob, ein großer aromatischer Rest, Tryptophan, Phenylalanine, Tyrosin,
die den Protonentransfer zu dieser Stelle, den wir im Enzym der A-Familie hatten, blockieren.
Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die cbb3-Oxidasen ein vollständig anderes Elektronensystem besitzen.
Die Entfernungen sind hier kürzer, was dazu führt, dass der Elektronentransfer schneller ist.
Wir haben nur einen Pfad für den Protonentransfer.
Dessen ungeachtet pumpen die Enzyme Protonen, was im Rahmen der Hypothese der elektrostatischen Abstoßung schwer zu verstehen ist.
Die 2 Hämpropionate stehen wegen der Kalziumbindung nicht zum Laden der Protonenpumpe zur Verfügung.
Ich sage außerdem, dass die NO-Reduktasen den cbb3-Oxidasen strukturell sehr ähnlich sind,
obwohl sie keine Protonen pumpen und die Protonen von der Außenseite der Membran aufnehmen.
Die NO-Reduktasen verwenden also 2 Cytochrom-c-Moleküle, 2 NO-Moleküle, 2 Protonen von der Außenseite und 1 Sauerstoffmolekül.
Sie erhalten durch die NO-Reduktasen oxidiertes Cytochrom c, N2O und Wasser, doch die Struktur ist ganz ähnlich.
Jetzt wechsle ich das Thema und komme zu den bd-Oxidasen.
Sie sind unter den Prokaryoten weit verbreitet.
Auch für die Pathogenität vieler Humanpathogene sind sie von großer Bedeutung.
Vor allem die Mykobakterien, die Tuberkulose hervorrufen, benötigen eine funktionelle Cytochrom-bd-Oxidase.
Sie pumpen keine Protonen.
Sie erzeugen elektrische Spannungen und pH-Gradienten, indem sie Protonen von Hydrochinonen an eine Seite der Membran freisetzen
und von der gegenüberliegenden Seite Protonen zur Bildung von Wasser aufnehmen.
Ich möchte erwähnen, dass sich bd-Oxidasen durch ihre Inhibitor-Sensitivität auch von den Kupfer-Oxidasen unterscheiden.
Bis jetzt habe ich noch nichts von Schrödingers Katze gehört.
Schrödingers Katze wird ja durch das Zyanid getötet, das die Typ-A-Cytochrom-c-Oxidase blockiert.
Das würde aber nicht funktionieren, wenn die Katze eine bd-Oxidase hätte, da die bd-Oxidase durch das Zyanid nicht blockiert wird.
Und Organismen, die bd-Oxidasen enthalten, können in Ihrem Darm überleben,
da Sie eine stinkende Verbindung produzieren - Mercaptoethanol; das ist Schwefel, Disulfid.
Der Schwefel im Darm blockiert die Häm-Kupfer-Oxidase vieler Bakterien,
und die Organismen in Ihrem Darm, die bd-Oxidasen enthalten, haben einen Überlebensvorteil.
Das war ein zehnjähriges Projekt, zusammen mit Junshi Sakamoto aus Japan.
Aber schließlich konnten wir die Struktur bestimmen und vor 2 Monaten veröffentlichen.
Das vorgeschlagene Modell der Cytochrom-B-Oxidase sehen Sie hier,
bekannt aus der Spektroskopie, entstanden aus indirekten Experimenten.
Hier sehen Sie das Hydrochinon; das Hydrochinon hier ist oxidiert.
Elektronen werden übertragen - zu Cytochrome B558, dann zu B595 und dann zum Häm.
Das nennt man bd-Oxidase, die Sauerstoff bindet.
Es bildet sich Wasser.
Vom Zytoplasma werden Protonen aufgenommen, während die Protonen des Hydrochinons hier freigesetzt werden,
was wiederum zu elektrischer Spannung über die Membran führt.
Hier sehen Sie, wie es in der Realität aussieht.
Zu unserer großen Überraschung gibt es 2 große Protein-Untereinheiten,
und diese 2 großen Protein-Untereinheiten weisen identische Strukturen, eine identische Faltung auf.
Das erinnert mich an das photosynthetische Reaktionszentrum,
wo wir bei der ersten Membranproteinstruktur genau die gleiche Feststellung machten.
Die Funktion der 2 Untereinheiten ist anders.
Hier sind alle Pigmente nur an eine Untereinheit gebunden.
Die andere Untereinheit weist die identische Proteinfaltung auf, enthält aber keine Pigmente.
Die Bindungsstelle für das Hydrochinon befindet sich hier in diesem Bereich,
wo eine zusätzliche Schleife ist, die an der anderen Seite fehlt.
Darüber hinaus entdeckten wir eine weitere, kurze Protein-Untereinheit in dem Enzym, das vor unserer Arbeit unbekannt war.
Die großen Überraschungen bestanden darin, dass sich das Häm in der Membran ziemlich gut verhakt, nicht an der Außenseite.
Außerdem muss der Elektronentransfer genau andersherum ablaufen als geglaubt.
Höchstwahrscheinlich erhält also das B558 zuerst ein Elektron,
aber es ist auch ziemlich klar, dass das Häm-D das Elektron erhalten muss.
Dann kann das Elektron das Häm-B559 äquilibrieren.
Die Reihenfolge dieser beiden ist also in der Sequenz anders, als man von der Spektroskopie erwartete hatte.
Wir fanden außerdem eine Sauerstoffeintrittsstelle in das Häm-D-Molekül.
Darüber hinaus fanden wir Protonentransferpfade.
Zu unserer Überraschung scheint es 2 Protonentransferpfade zu geben –
einen in der Untereinheit A und den anderen in der Untereinheit D.
Aber ihre Bedeutung, die Bedeutung ihrer Funktion muss man natürlich erst noch herausfinden.
Wenn wir jetzt die zentralen prosthetischen Gruppen der bd-Oxidase mit denen der Häm-Kupfer-Oxidase vergleichen,
stoßen wir auf einige Überraschungen.
Beispielsweise haben wir zum Vergleich das erste Häm, Häm-A, und hier das Häm-B558,
welches hier das Elektron vom Hydrochinon erhält, vom Cytochrom, vom Kupfer-A-Zentrum.
Dann gibt es hier einen Tryptophanrest.
Einen ähnlichen Tryptophanrest finden wir hier drin.
Tryptophanreste können beim Elektronentransfer sehr hilfreich sein, sie können sogar Elektronendonatoren sein.
Und dann haben wir hier das sauerstoffbindende Häm.
Hier in der Mitte befindet sich das sauerstoffbindende Häm.
Hier ist der andere Elektronenlieferant, Kupfer-B.
Und hier ist das Häm-B5595.
Das sauerstoffbindende Häm nimmt also in beiden Fällen einen zentralen Standort ein.
Diese Eigenschaft ermöglicht einen schnellen Elektronentransfer von beiden Seiten
zu den zentralen Häm-Eisen und zum Sauerstoffmolekül.
Wie es scheint, werden für das Aufbrechen der Sauerstoffbindung
4 Elektronen gleichzeitig, simultan, zum Sauerstoffmolekül übertragen.
Die Bildung von Superoxid, Peroxid oder Hydroxylradikalen wird hierdurch vermieden.
In dieser Art von Enzymen gibt es keine schädigenden Nebenreaktionen.
Offenbar hat Mutter Natur denselben Mechanismus zur Verhinderung der Bildung dieser reaktiven Sauerstoffarten zweimal erfunden.
Damit bin ich am Ende angelangt.
Aber mir ist klar, dass immer noch viel zu tun bleibt.
Ich möchte Ihnen jetzt etwas über jene Menschen erzählen, die den größten Teil der Arbeit geleistet haben.
Hier sehen Sie das Team, das noch vor kurzem an der Typ-Häm-3-Oxidase gearbeitet hat.
Die Kristallographie erledigte Jürgen Köpke, Iris von der Hocht die Spektroskopie.
Die Personen, die an der cbb3-Oxidase gearbeitet haben, sind hier aufgeführt.
Sabine Buschmann versuchte 10 Jahre lang, die Kristalle zu erhalten.
Nach 10 Jahren hatte sie Erfolg.
Für die Struktur waren Ulrich Ermler und Julian Langer zuständig.
Hao steuerte die Ergebnisse der Biochemie und der Massenspektrometrie bei.
Der letzte Neuzugang zur bd-Struktur war Schara Safarian, ein herausragender Student.
Wie Sie sehen, ist er Gewichtheber - er hebt schwere Gewichte wie etwa die Struktur der bd-Oxidase.
Unterstützt wurde er von Julian Langer mit der Massenspektrometrie,
außerdem von Julia Preu und Hanne Müller von Seiten der Biochemie.
Zum Schluss möchte ich mich für Ihre Aufmerksamkeit bedanken.
(Applaus)