Wasserstoffatom gesucht und gefunden

Blick in das Innere des Diffraktometers BioDiff. Blick in das Innere des Diffraktometers BioDiff. © Sebastian Mast

Blick in das Innere des Diffraktometers BioDiff. © Sebastian Mast

Britische Wissenschaftler haben mit Hilfe von Neutronen die Struktur eines lebenswichtigen Enzyms aufklärt. Dabei ging es um die Anwesenheit eines Wasserstoffatoms. Ihre Ergebnisse sind jetzt in Nature Communications veröffentlicht.

Eisenhaltige Häm-Enzyme spielen im Körper von Säugetieren eine lebenswichtige Rolle: Sie bauen unter anderem das Zellgift Wasserstoffperoxid ab. Für ihre Aktivität sind zwei Zwischenzustände im aktiven Zentrum von wesentlicher Bedeutung. Das Eisenatom im aktiven Zentrum kontrolliert die Reaktivität und damit die biologische Wirksamkeit des Zwischenzustands. Ob bei den jeweiligen Zwischenzuständen an das Eisen jedoch ein einzelnes Sauerstoffatom (O) oder ein Sauerstoffatom gekoppelt mit Wasserstoff (-OH) gebunden ist, war bislang mangels geeigneter Messmethoden unklar.

Jetzt haben Wissenschaftler um Emma Raven, Peter Moody und Hanna Kwon die Struktur im aktiven Zentrum des Zwischenzustands II einer Ascorbat-Peroxidase aus der Gruppe der Hämenzyme unter anderem mit Hilfe von Neutronen bestimmt. “Wenn wir Strahlen von Neutronen anstatt Röntgen nutzen, können wir die Positionen der Wasserstoffatome direkt sichtbar machen ohne den chemischen Zustand zu ändern”, sagt Prof. Peter Moody von der Universität Leicester. Am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum nutzten die Biochemiker das Neutronendiffraktometer BioDiff zu ersten Testmessungen an dem Enzym. Die weiteren Messungen führten sie dann am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich durch. Dabei fanden sie, dass im Zwischenzustand II an das Eisenatom eine Hydroxylgruppe (-OH) gebunden ist.

Bereits 2014 hatte dieselbe Gruppe um Raven und Moody ebenfalls am Instrument BioDiff das Hämenzym Cytochrom-c-Peroxidase im Zwischenzustand I eingefroren und untersucht. Damals konnten die Neutronen für den Zwischenzustand I eine Eisen-Sauerstoff Anordnung (FeO) im aktiven Zentrum nachweisen. Peter Moody erklärt: “Diese Enzyme machen Zwischenschritte. Vor ein paar Jahren haben wir die Wasserstoffatome des ersten Schritts sichtbar gemacht und in Science veröffentlicht. Seitdem hat unser Team daran gearbeitet, den nächsten Schritt festzuhalten. Man hatte angenommen, dass dieser zweite Schritt kein Wasserstoff im aktiven Zentrum enthält, jedoch haben wir jetzt deutlich den Wasserstoff nachgewiesen und müssen jetzt überdenken, wie das Enzym arbeitet.” Professor Emma Raven von der Universität Leicester ergänzt: “Wir haben diese Zwischenschritte direkt gesehen, was wirklich so etwas wie der heilige Gral der Enyzmforschung ist.”