Blaues Blut: Funktion, Evolution und dreidimensionale Struktur der Hämocyanine

Jürgen Markl (markl@uni-mainz.de)

Institut für Zoologie, Abt. Molekulare Tierphysiologie, Universität Mainz

Hämocyanine sind blaue, extrazelluläre Proteine und transportieren in der Hämolymphe vieler Weichtiere und Gliederfüßer den Sauerstoff. Sie sind damit wichtige molekulare Schnittstellen zwischen dem Organismus und seiner Umwelt. Ihre Aufgabe im Tier ist sehr komplex, und entsprechend handelt es sich bei den Hämocyaninen um außergewöhnlich große und komplizierte nanoskopische „Proteinmaschinen“. In der Größe sind sie mit Ribosomen oder Viruspartikeln vergleichbar, und sie bestehen aus zahlreichen Untereinheiten.

Der dreidimensionale Feinbau von Hämocyanin-Untereinheiten ist aufgrund von Röntgenstrukturanalysen schon länger bis in molekulare Details bekannt. Aber man hatte bis vor kurzem nur sehr grobe Vorstellungen, wie sich die verschiedenen höheren Strukturen der Hämocyanine aus diesen Untereinheiten zusammensetzen; die räumliche Gestalt dieser „Nanomaschinen“ und die topologische Anordung ihrer Bauteile war also unklar. Dieses Wissen ist aber entscheidend, wenn man verstehen will, wie die Hämocyanine arbeiten.

Es ist uns 2006 gelungen, durch 3D-Elektronenmikroskopie mehrere Hämocyanine im Detail „sichtbar“ zu machen. Dabei wird zunächst die Proteingestalt aus zehntausenden hochauflösender elektronenmikroskopischer Bilder mit spezialisierten Computerprogrammen dreidimensional rekonstruiert. Ist die erzielte Auflösung gut genug (d.h. 10 Ǻ oder besser), kann man in diese Gestalt die molekularen Modelle der Untereinheiten exakt einpassen und gelangt so zu einem molekularen Modell des Gesamtproteins. Dieses Modell zeigt dann nicht nur die räumliche Position jeder einzelnen der vielen tausend Aminosäuren, sondern man sieht erstmalig die überraschend raffinierten Kontaktstellen zwischen den Teilstrukturen. So wird es möglich, die Funktionsweise dieser Nanomaschinen aufzuklären.

Der Vortrag führt in die Hämocyanine ein und zeigt dann anhand mehrerer z.T. animierter Beispiele, was die 3D-Elektronenmikroskopie derzeit bei der Strukturaufklärung von Proteinen zu leisten vermag.