Chemienobelpreis 1972: Christian Boehmer Anfinsen — Stanford Moore — William Howard Stein
Anfinsen wurde für seine Arbeiten über Ribonuclease, besonders über den Zusammenhang zwischen Aminosäuresequenz und biologisch aktiver Konformation geehrt, Moore und Stein für die Aufklärung der Aminosäuresequenz und des aktiven Zentrums des Enzyms Ribonuclease.
Biografien
Christian Boehmer Anfinsen, * Monessen (Pennsylvania) 26. 3. 1916, ✝ Randallstown (Maryland) 14. 5. 1995; 1950-62 Leiter des Laboratory of Cellular Physiology and Metabolism bei den National Institutes of Health in Bethesda (Maryland), 1962-63 Professor für Biochemie an der Harvard Medical School Boston, 1963-81 Leiter des Laboratory of Chemical Biology bei den National Institutes of Health, 1982-95 an der Johns Hopkins University in Maryland.
Stanford Moore, * Chicago 4.9. 1913, ✝ New York 23. 8. 1982; 1942-45 Office of Scientific Research and Development Washington D.C., 1945-82 Professor am Rockefeller Institute for Medical Research in New York.
William Howard Stein, * New York 25. 6. 1911, ✝ New York 2. 2. 1980; 1937 Promotion im Fach Biochemie an der Columbia University in New York, 1938-80 am Rockefeller Institute for Medical Research in New York.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Bei den Enzymen handelt es sich im Allgemeinen um Proteine, aber auch Ribonucleinsäuren können als Enzyme wirken. Die Proteinenzyme bauen sich aus Polypeptidketten auf, die wiederum aus Aminosäureresten zusammengesetzt sind.
Die Sequenz bestimmt die Konformation
Solche Enzyme nehmen in ihrer natürlichen Umgebung eine ganz bestimmte Molekülgestalt an, eine ganz bestimmte Konformation. Theoretisch ermöglicht die Beweglichkeit vieler Atomgruppen innerhalb der Polypeptidketten eine Vielzahl von Konformationen, aber das Kettenmolekül faltet sich nur zu einer ganz bestimmten räumlichen Form zusammen und nur in dieser »sinnvollen« Form kann es als Biokatalysator, als Enzym wirken. Man kann diese Enzymwirkung aufheben, indem man die Enzyme zum Beispiel erhitzt oder mit Chemikalien behandelt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Denaturierung. So werden zum Beispiel die Eiweißstoffe des Hühnereis beim Kochen denaturiert. Anfinsen erforschte den Vorgang der Denaturierung und dessen mögliche Umkehrung — die Renaturierung — speziell an dem Enzym Ribonuclease. Dieses Enzym baut sich aus 124 Aminosäureresten auf und hat vier Positionen im Molekül, an denen bestimmte Aminosäuren über so genannte Disulfidbrücken (-S-S- ) miteinander verbunden sind. Zerstört man diese Brücken durch reduktive Spaltung, so wandeln sich die Disulfidbrücken in jeweils zwei -SH-Gruppen um, und es entsteht eine freie Polypeptidkette, die demzufolge theoretisch 105 Paarungsmöglichkeiten für eine Rückbildung der vier Disulfidbrücken bietet. Es wird aber nur eine Möglichkeit bei der Renaturierung realisiert! Anfinsen entwickelte zur Erklärung dieser Tatsache eine thermodynamische Hypothese, die er in seinem Nobelvortrag so formulierte: »Diese Hypothese. .. behauptet, dass die dreidimensionale Struktur eines nativen Proteins in seinem normalen physiologischen Milieu. .. diejenige ist, in welcher die. .. freie Energie des gesamten Systems am niedrigsten ist; das heißt, dass die native Konformation von der Gesamtheit der interatomaren Wechselwirkungen und infolgedessen von der Aminosäuresequenz in einem gegebenen Milieu bestimmt wird.«
Es ist demnach die Aminosäuresequenz, aus der heraus die räumliche Enzymstruktur festgelegt wird, und nur diese determinierte Struktur verfügt über die spezifische biologische Aktivität. Die These, dass die native (unveränderte) Form eines Proteins in allen Fällen einen geringeren Energieinhalt als die denaturierte Form besitzt, ist nicht durchgängig akzeptiert worden. Es sind durchaus Proteinkonstellationen denkbar, bei denen die native Form einen höheren Energieinhalt aufweist.
Die erste vollständige Strukturaufklärung eines Enzyms
Moore und Stein konzentrierten sich in ihrer gemeinsamen Forschungsarbeit auf die vollständige Strukturaufklärung des Enzyms Ribonuclease, das im Rinderpankreas vorkommt und Ribonucleinsäuren hydrolysieren kann. Ribonuclease existiert in zwei Formen, Ribonuclease A oder B, die sich chemisch nur geringfügig unterscheiden. Die Strukturaufklärung wurde durchgängig an der A-Form durchgeführt. Zunächst musste eine qualitative und quantitative Aminosäureanalyse dieses Enzyms durchgeführt werden. Dabei gelang es, durch Einsatz moderner chromatographischer und spektrometrischer Methoden und durch Automatisierung von Verfahrensschritten den Zeitaufwand für die Analysen wesentlich zu verkürzen. Die von Moore und Stein erzielten methodischen Fortschritte wurden weltweit aufgegriffen und weiterentwickelt. Sie waren die Basis für die industrielle Herstellung von Aminosäureanalysegeräten, deren Einsatz die Proteinforschung stark beschleunigte. Die Aminosäureanalyse der Ribonuclease zeigte, dass sich das Enzym aus 17 unterschiedlichen Aminosäureresten aufbaut, die in bestimmen Proportionen im Molekül vorliegen. Die nächste Zielsetzung bestand darin, die Sequenz, also die Reihenfolge, der insgesamt 124 Aminosäurereste zu bestimmen. Hier gingen die Forscher prinzipiell nach der von Frederick Sanger (Nobelpreis 1958) bei der Strukturaufklärung von Insulin angewandten Methode vor. Außerdem setzten sie eine von Per Edman entwickelte sequentielle Abbaumethode ein, die es ermöglichte, Schritt für Schritt die Aminosäuren der Polypeptidkette abzubauen un zu charakterisieren. Ribonuclease war das erste Enzym, dessen gesamte Aminosäuresequenz 1963 publiziert werden konnte.
Moore und Stein leisteten auch entscheidende Beiträge zur Strukturaufklärung des aktiven Zentrums von Ribonuclease A. Aus schon bekannten chemischen Daten und eigenen chemischen Untersuchungen konnten sie Aussagen darüber treffen, welche Aminosäuren am aktiven Zentrum beteiligt sind und in welcher Entfernung sich diese voneinander befinden. Diese Voraussagen über die chemische und räumliche Struktur des aktiven Zentrums fanden weitestgehende Bestätigung durch die Ergebnisse einer Röntgenstrukturanalyse, die 1967 von G. Kartha, J. Bello und D. Harker veröffentlicht wurden. Aufgrund dieser Ergebnisse konnten sehr detaillierte Aussagen gemacht werden, wie sich die Substratmoleküle für Ribonuclease, Ribonucleinsäuren, in eine Mulde an der Oberfläche des Enzyms einpassen, um an einer ganz bestimmten Position hydrolysiert zu werden. Die Erkundung der chemischen Struktur der Ribonuclease war die Voraussetzung für ihre chemische Synthese. Diese Pionierleistung erbrachten Ende der 1960er-Jahre Bernd Gutte und Robert Bruce Merrifield (Nobelpreis 1984).
Die Erforschung der Zusammenhänge von Struktur und Funktion von Enzymen gibt tiefe Einblicke in die molekularen Mechanismen des Lebens. Durch solche Untersuchungen werden aber auch wissenschaftliche Grundlagen für den gezielten Einsatz von Enzymen auf Gebieten wie Arzneimittelsynthese, Lebensmittel- und Genussmittelindustrie, Waschmittelherstellung, Kosmetikindustrie und klinische Chemie geschaffen.
A. Neubauer