Chemienobelpreis 1962: John Cowdery Kendrew — Max Ferdinand Perutz
Die beiden britischen Chemiker erhielten den Nobelpreis für ihre Studien über Strukturen globulärer Proteine.
Biografien
Sir (seit 1974) John Cowdery Kendrew, * Oxford (England) 24. 3. 1917, ✝ Cambridge 23. 8. 1997; 1959 Gründung des »Journal of Molecular Biology«, 1962-74 stellvertretender Direktor des Laboratoriums für Molekularbiologie des Medical Research Council in Cambridge, 1974-82 Direktor des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie in Heidelberg.
Max Ferdinand Perutz, * Wien 19. 5. 1914, ✝ Cambridge 6. 2. 2002; ab 1947 Leiter der Abteilung für Molekularbiologie an der Universität Cambridge (Großbritannien), ab 1962 Direktor des Laboratoriums für Molekularbiologie des Medical Research Council in Cambridge, 1963-1969 Vorsitzender der European Molecular Organization.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Im Jahr 1912 machte Max von Laue (Nobelpreis für Physik 1914) die Entdeckung, dass Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Kristallgitter gebeugt werden.Lässt man die gebeugten Röntgenstrahlen auf einen fotografischen Film auftreffen, so erhält man ein Beugungsbild, ein Röntgendiagramm, das sich aus vielen Reflexen unterschiedlicher Intensität zusammensetzt. Verursacht wird die Beugung der Röntgenstrahlen durch ihre Wechselwirkung mit den Elektronenhüllen der Atome in den Kristallen. Die gebeugten Strahlen können sich durch Überlagerung verstärken, abschwächen oder sogar auslöschen. In den Röntgendiagrammen verbergen sich Informationen zur räumlichen Anordnung von Atomen, Ionen, Atomgruppen und Molekülen im Kristall. Es lag deshalb nahe zu versuchen, über Röntgendiagramme die räumliche Struktur chemischer Verbindungen aufzuklären.
Während man bei einfach gebauten chemischen Verbindungen mit der Röntgenanalyse noch relativ rasch Erfolge bei der Strukturaufklärung erzielen konnte, traten große experimentelle Schwierigkeiten bei hochmolekularen Verbindungen wie Proteinen auf. Erst Anfang der 1930er-Jahre gelang es dem britischen Physiker, Kristallographen und Wissenschaftshistoriker John Desmond Bernal und seiner Mitarbeiterin Dorothy Hodgkin (Nobelpreis 1964), von Proteinkristallen scharfe Beugungsbilder zu erhalten.
Max Perutz begann 1936 bei Bernal im berühmten Cavendish-Laboratorium der Universität Cambridge erste röntgenanalytische Untersuchungen durchzuführen. Seine Arbeiten konzentrierten sich bald auf die Röntgenstrukturanalyse des Proteins Hämoglobin. Zehn Jahre später wurde John Kendrew Mitarbeiter von Max Perutz. Er übernahm die Aufgabe, eine Röntgenstrukturanalyse des Proteins Myoglobin durchzuführen. Bei beiden Proteinen handelt es sich um so genannte globuläre (lateinisch, globulus = Kügelchen) Proteine, deren Polypeptidketten so verknäult sind, dass die Moleküle eine kugelähnliche Gestalt haben. Während das Myoglobin nur ein Molekulargewicht von 17 000 aufweist, erreicht das Hämoglobin fast den vierfachen Wert, nämlich 64 500.
Röntgenstrukturanalyse von Blutfarbstoffen
Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin kommt in den roten Blutkörperchen (Erythrozyten) von Wirbeltieren vor und hat die biologische Funktion, Sauerstoff von den Lungen zu den Geweben zu transportieren. So enthalten beispielsweise 100 Milliliter menschliche Blut 15 bis 16 Gramm Hämoglobin. Genau genommen setzt sich der rote Blutfarbstoff des erwachsenen Menschen aus zwei Hämoglobinsorten zusammen, nämlich zu 96,5 bis 98,5 Prozent aus dem Hämoglobin A1 und zu 1,5 bis 3,5 Prozent aus dem Hämoglobin A2. Zwischen beiden Hämoglobinarten bestehen nur geringfügige strukturelle Unterschiede.
Bei Myoglobin handelt es sich um ein sauerstoffspeicherndes Protein, das in den Muskeln von Wirbeltieren vorkommt und ihnen die rote Farbe verleiht.
Bis Anfang der 1950er-Jahre kamen die röntgenstrukturanalytischen Untersuchungen der beiden globulären Proteine nur langsam voran. Zum einen erforderte die notwendige Bestimmung der Elektronendichten (räumliche Verteilung von Elektronen) der Atomgruppen und Atome in den Proteinen — aufgrund ihrer großen Anzahl — einen sehr hohen Rechenaufwand. Zum anderen bereitete die korrekte Zuordnung der erhaltenen Elektronendichte-Daten große Probleme.
Die Methode des isomorphen Ersatzes
Perutz wendete 1953/54 erstmals die Methode des isomorphen Ersatzes an, was die Arbeiten beider Forscher beschleunigte. Sie ermöglichte es, isomorphe Hämoglobinmoleküle zu gewinnen, die an definierten Stellen mit schweren Quecksilber- beziehungsweise Silberatomen markiert waren. Diese abgeänderten Hämoglobinmoleküle, die in ihrer Kristallstruktur prinzipiell nicht verändert waren (isomorph), ergaben aber veränderte Röntgendiagramme. Auf diese Weise konnten mithilfe der Schwermetallatome Bezugspunkte geschaffen werden, die eine korrekte Ableitung der Lage der Polypeptidketten und bestimmter Atomgruppen sowie bestimmter Atome in den Proteinen ermöglichten. Der mit den Röntgenstrukturanalysen verbundene hohe Rechenaufwand wurde durch den Einsatz von Computern bewältigt.
Die Strukturaufklärung der beiden Proteine machte die Aufnahme und die mathematische Auswertung einer Vielzahl von Röntgendiagrammen nötig. Wie Perutz in seinem Nobelvortrag ausführte, »erforderte beispielsweise die Berechnung eines dreidimensionalen Bildes vom Myoglobin bei einer Auflösung von 2 Å die Registrierung und Auswertung von etwa 250 000 Reflexen und die schließliche Addition oder Subtraktion von ungefähr 5 x 109 Zahlen.«
Anfang der 1960er-Jahre gelang erstmals die umfassende Aufklärung der dreidimensionalen Struktur des Myoglobins. Chemische Untersuchungen von anderen Forschern und die röntgenstrukturanalytischen Untersuchungen von John Kendrew hatten zu folgendem Ergebnis geführt: Das Myoglobin besteht aus einer einzigen Polypeptidkette, die 153 Aminosäurebausteine enthält. 121 Aminosäurebausteine sind in acht relativ gerade verlaufende Alpha-Helix-Abschnitte eingebaut, die durch weniger geordnete Teile der Polypeptidkette verbunden sind. Myoglobin besitzt weiterhin eine Farbstoffgruppe, die so genannte Hämgruppe. Diese besteht aus dem Ringsystem Protoporhyrin, das wiederum in seiner Mitte ein Eisen (II)-Ion enthält. Kendrew konnte die genaue Lage dieser Hämgruppe im Molekül bestimmen.
Die wesentlich schwieriger zu erforschende dreidimensionale Struktur des Hämoglobins war zur Zeit der Nobelpreisverleihung an Max Perutz noch nicht in allen Feinheiten, aber in ihren grundlegenden Punkten aufgeklärt.
Die Bedeutung der Forschungsarbeiten von Perutz und Kendrew liegt vor allem darin, dass sie die physikalische Methode der Röntgenstrukturanalyse wesentlich weiter entwickelten und an zwei wichtigen biologischen Molekülen die Leistungsfähigkeit dieser Methode für die Erforschung der molekularen Grundlagen des Lebens demonstrierten.
A. Neubauer