1. Röntgenstrukturanalyse

1.1 Anwendung

Zur Bestimmung von Proteinstrukturen stehen der Wissenschaft nur zwei experimentelle Methoden zur Verfügung: Röntgenbeugung an Proteinkristallen (XRD) und magnetische Kernresonanz (NMR) an Proteinlösungen. 87% der ca. 25000 Struktureinträge in der Protein Data Bank (Stand Okt. 2004) wurden mittels Röntgenstrukturanalyse bestimmt. Dies verdeutlicht die herausragende Stellung dieser Methode.

Die Kenntnis der genauen Faltung einer Polypeptidkette ist von eminenter Wichtigkeit. Denn nur wenn man sie kennt, kann man eine Erklärung für die Wirkungsweise des betreffenden Moleküls geben. Nur dann lässt sich überhaupt sagen, warum ein Enzymmolekül diese und keine andere Reaktion katalysiert, warum seine Affinität zu einem Substrat höher ist als zu einem anderen, und warum ein bestimmter Hemmstoff (Inhibitor) wirksam ist.

Durch die Ausbildung einer Tertiärstruktur wird eine lineare Information (hier: die Abfolge einer Aminosäuresequenz) in eine dreidimensionale Struktur transformiert. Eine möglichst genaue Kenntnis der Struktur ist nicht nur aus Sicht der strukturbiologischen Grundlagenforschung interessant, sondern auch von elementarer Bedeutung für die moderne Medizin, zur Krankheitsdiagnostik und für die gezielte Entwicklung von Medikamenten.

 

1.2 Funktionsweise

Wie funktioniert diese Methode?

Zuerst muss das Protein als Einkristall gezüchtet werden. Die Kristallisation eines Proteins ist oft nicht einfach. Um zum Erfolg zu kommen, wurden Proteinkristalle sogar schon im Weltraum gezüchtet, denn unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit sind die Voraussetzungen für die Herstellung fehlerfreier Kristalle besonders günstig. Insbesondere Membranproteine lassen sich nur schwer kristallisieren. Für die vollständige Strukturbestimmung eines Proteins werden Einkristalle hoher Qualität benötigt.

(Einkristalle sind Kristalle ohne Fehler in der Anordnung der Atome oder Moleküle, die räumliche Struktur von idealen Einkristallen ist vollkommen regelmäßig.)

Durch Untersuchung der Einkristalle mit Röntgenstrahlung können Forscher den räumlichen Aufbau von Proteinen bis auf zwei Milliardstel Zentimeter genau bestimmen.
Vom Kristallgitter werden die Röntgenstrahlen unter bestimmten Winkeln gebeugt, die für die jeweilige Kristallstruktur charakteristisch sind. Eine Analyse der Beugungsbilder mit dem Computer liefert die räumliche Struktur.

Die zwei untenstehenden Abbildungen liefern einen Vergleich zwischen Mikroskopie und Röntgenstrukturanalyse

 


 

 

1.3 Theorie:

Zur Erklärung der Winkel unter denen Röntgenstrahlen an einem Kristallgitter gebeugt werden:

 

 

Nach W. L. Bragg wird die Beugung von Röntgenstrahlung als „Reflexion“ an einer Netzebene unter gewissen Bedingungen interpretiert. Es gilt die Braggsche Gleichung:

nλ = 2d sinß

ß…Reflexionswinkel; n… natürliche Zahl; λ … Wellenlänge der Röntgenstrahlung;
d .. Gitterabstand

 

 

Die untenstehende Abbildung zeigt ein Röntgendiagramm eines Proteinkristalls (Myoglobin) (J. D. KENDREW, Cambridge). Durch Auswertung des Diagramms erhält man die Elektronendichteverteilung im Molekül und  muss diese mit einem Molekülmodell zur Deckung bringen.

 

Mr Proti denkt

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Nach der Röntgenstrukturanalyse erfährst du nun im nächsten Abschnitt Einiges über die Magnetische Kernresonanz.