Chemie-Nobelpreis : Die stille Post in unserem Körper

Was passiert im Körper, wenn wir gestresst sind? Was, wenn das Auge Licht wahrnimmt? Die Chemie-Nobelpreisträger deckten die geheime Kommunikation unserer Zellen auf.
Der Chemie-Nobelpreisträger und Medizinprofessor Robert J. Lefkowitz im Gespräch mit einer Studentin © Duke University Photography

Auch Zellen unterhalten sich – sie verwenden dazu eine Vielzahl chemischer Signalstoffe, die im Innern der Zelle unterschiedliche Veränderungen auslösen. Da wird das bewegliche Zellskelett umgebaut und die Aktivität einzelner Gene beeinflusst. Die allermeisten Signalstoffe dringen aber gar nicht durch die Zellmembran hindurch. Wie entfalten sie ihre Wirkung im Inneren?

Diese Frage Haben Robert J. Lefkowitz und Brian K. Kobilka beantwortet, was ihnen nun den Nobelpreis für Chemie eingebracht hat. Die Forscher identifizierten eine neue Klasse von Proteinen – die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). Sie entdeckten damit eine der größten und bedeutendsten Proteinklassen im Organismus, die nahezu überall zu finden ist, wo Signale in die Zelle weitergeleitet werden – ob es nun ein Hormon ist, ein Geschmacksreiz auf der Zunge oder ein Lichtsignal im Auge.

Den ersten dieser Rezeptoren machte Lefkowitz im Jahr 1968 aus. Zu dieser Zeit war bereits bekannt, dass Hormone Signalstoffe sind, die in Zellen bestimmte Reaktionen auslösen, und dass diese Signale im Zellinneren durch eine chemische Kaskade weitergegeben werden. Doch welches Element beides verbindet, blieb ungeklärt. Lefkowitz baute ein radioaktives Iod-Isotop in verschiedene Hormone ein und machte schließlich ihre Andockstellen an der Zelle ausfindig – einen Rezeptor für das Stresshormon Adrenalin, den beta-adrenergen Rezeptor (beta-AR).

Die wahre Bedeutung dieses Fundes erschloss sich allerdings erst, als Brian Kobilka zu Beginn der achtziger Jahre hinzukam. Er sollte die codierenden Gene des Adrenalin-Rezeptors aufzuspüren – ihren Bauplan im Erbgut. Die Forscher isolierten das vergleichsweise seltene Rezeptor-Molekül aus Hamstern, bis sie genug zusammenhatten, um die DNA-Bausteine zu entziffern.

Anschließend reichte ein wenig Glück und Kobilka und seinen Kollegen lag das komplette Gen für beta-AR vor. Die große Überraschung: Ein sehr ähnliches Molekül war bereits bekannt. Teile der Erbgutsequenz stimmten mit der des Rhodopsins überein, einem Sehpigment im menschlichen Auge. Die Forscher schlossen daraus, dass sie eine ganze Rezeptorfamilie vor sich haben, deren Mitglieder alle eine sehr ähnliche grundlegende Struktur haben.

Medizinprofessor und nun Chemie-Nobelpreisträger: Brian K. Kobilka © Stanford University School of Medicine

Und die hat es in sich. Sie besteht aus sieben spiralförmigen Regionen, die in allen derartigen Proteinen nebeneinanderliegend die Zellmembran durchspannen. So übernehmen sie eine für den Rezeptor ganz wesentliche Funktion. Dieses Stäbchenbündel gibt das Signal, dass außen ein passendes Molekül gebunden ist, nach innen weiter. Tatsächlich läuft dies rein mechanisch ab. Sobald ein Signalstoff an den Rezeptor bindet, beginnt eine chemische Reaktion, die wiederum Signalstoffe in der Zelle selbst aktiviert. Dabei wird das Signal noch dazu erheblich verstärkt. Schon ein einziges Molekül des ursprünglichen Signalstoffes kann eine deutliche Reaktion in der Zelle hervorrufen – das System ist hochempfindlich.

Das Herzstück dieses Mechanismus, ein Komplex aus bindendem Molekül, Rezeptor und G-Protein, wurde erst jüngst von einem Forscherteam um Kobilka restlos entschlüsselt: 2011 veröffentlichten sie im Magazin Nature dessen hoch aufgelöste Kristallstruktur.

Die physiologische Bedeutung der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren ist immens – der Mensch besitzt allein etwa tausend Gene, die solche Rezeptoren kodieren. Die Moleküle, die an ihnen binden, können alle Arten von inneren und äußeren Signalen sein: Licht, Geruch, Geschmack und Hormone wie Adrenalin, Serotonin und andere. Deswegen sind sie für die Medizin von entscheidender Bedeutung. Sie stellen etwa die Hälfte aller bekannten Zielstrukturen für Medikamente. Nicht nur Betablocker für Bluthochdruck-Patienten zählen dazu. Auch der antivirale Wirkstoff Maraviroc. Er hindert das tückische HI-Virus daran, Körperzellen zu infiltrieren.

Erschienen auf spektrum.de in einer längeren Fassung

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