Chemienobelpreis 1997: Paul D. Boyer — John Ernest Walker — Jens Christian Skou
Der Preis ging zum einen Teil an den Amerikaner Boyer und den Briten Walker für die Klärung der Synthese von Adenosintriphosphat (ATP), zum anderen für die Entdeckung des ionentransportierenden Enzyms Natrium-Kalium-ATPase an den Dänen Skou.
Biografien
Paul D. Boyer, * Provo (USA) 31. 7. 1918; 1943 Promotion, 1945 Assistentprofessor an der University of Minnesota (Minneapolis), 1963-89 Professor an der University of California in Los Angeles und 1965-83 dort Direktor des Molekularbiologischen Instituts, 1990 emeritiert.
John Ernest Walker, * Halifax (England) 7. 1. 1941; seit 1974 Forschungen am Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology in Cambridge (Großbritannien), 1995 in die Königliche Gesellschaft gewählt.
Jens Christian Skou, * Lemvig (Dänemark) 8.10. 1918; 1937-44 Medizinstudium an der Universität von Kopenhagen, 1947 Tätigkeit am Institut für Physiologie an der Aarhus Universität, ab 1963 dort Professor für Physiologie, ab 1978 Professor für Biophysik an der medizinischen Fakultät der Aarhus Universität, 1988 emeritiert.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Lebende Zellen befinden sich in einem hochgeordneten, sehr labilen und thermodynamisch ungünstigen Zustand. Nur durch die stetige Zufuhr von Energie können sie die lebensnotwendigen physiologischen Prozesse aufrechterhalten. Chemisch gebunden liegt die Energie in Form von Energieäquivalenten vor. Das bei weitem wichtigste Äquivalent ist das ATP. Diese »Energiewährung« des Lebens findet sich in allen Organismen. Mithilfe des ATP lässt sich die über die Photosynthese oder über die Atmungskette gewonnene Energie speichern und für energieverbrauchende Prozesse nutzen.
Viele Hände arbeiten an ATP
Nachdem der Chemiker Karl Lohmann das ATP 1929 entdeckt hatte, erkannte der russische Biochemiker Vladimir Engelhardt wenig später die zentrale bioenergetische Rolle, die es in der Zellatmung spielt. Dem amerikanischen Biochemiker Fritz Albert Lipmann (Nobelpreis für Medizin 1953) blieb es vorbehalten, 1941 seine universelle Rolle als Energieträger zu beweisen. Er prägte den Ausdruck »energiereiche Phosphatbindung«. Acht Jahre später gelang es dem englischen Biochemiker Alexander Todd (Nobelpreis 1957), das Molekül zu synthetisieren. Es besteht aus der organischen Base Adenin, dem Zucker Ribose und aus drei Phosphatgruppen. Sein Kollege Peter Mitchell (Nobelpreis 1978) entwickelte auf der Grundlage des ATPs die chemiosmotische Theorie.
Mitchell konnte das Rätsel der Herkunft der im ATP gebundenen Energie lösen. Er hatte erkannt, dass die Zellen Protonenpumpen zur Energiespeicherung besitzen. Beispielsweise befindet sich in den Mitochondrien der Pflanzenzellen eine innere Membran, die Tylakoidmembran, in die die Protonenpumpe ATPase eingebettet ist. Durch die Energie der Photosynthese angetrieben pumpt sie Wasserstoffionen, positiv geladene Protonen, ins Innere und baut damit ein Konzentrationsgefälle und eine elektrische Spannung auf. Je höher Gefälle und Membranpotenzial, umso stärker drängen die Protonen wieder aus dem Tylakoid. Der Weg hinaus führt ausschließlich über die ATPase, die die Membran durchtunnelt. Das Enzym erfüllt einen doppelten Effekt. Durch Energiezufuhr in Form der Elektronen der Photosynthese baut es Gefälle und Potenzial auf. Die auf diese Weise gespeicherte potenzielle Energie kann es umgekehrt durch das Zurückströmen der Protonen in ATP umwandeln. Durch diese so genannte oxidative Phosphorylierung wird der Zelle und dem gesamten Organismus die für den Stoffwechsel benötigte Energie als ATP zur Verfügung gestellt.
Jens Skou gelang es, diesen Zusammenhang für die Natrium-Kalium-Pumpe von Neuronen nachzuweisen. In eine angeregte Nervenzelle strömen Natriumionen. Es baut sich ein Potenzial auf, das anschließend sofort wieder abgebaut werden muss. Als Skou nach dieser Pumpe suchte, entdeckte er ein Transmembranprotein, das nur in Anwesenheit von Natrium- und Kaliumionen ATP spalten konnte. Die von ihm 1957 beschriebene Natrium-Kalium-ATPase war das erste identifizierte Enzym, das einen gerichteten Stofftransport durch eine Zellmembran bewirkt.
Skou untersuchte den Vorgang an Nervenzellen von Krabben. Das in Präparationen untersuchte Enzym benötigte Magnesiumionen. Mit steigenden Konzentrationen von Natriumionen ließ es sich bis zu einer bestimmten Grenze stimulieren. Als er geringe Mengen an Kaliumionen hinzugab, schob sich die Grenze nach oben. Der erste deutliche Hinweis, dass das Enzym an eine Ionenpumpe gekoppelt ist, war die Beobachtung, dass die maximale Stimulierung bei Natrium- und Kaliumkonzentrationen eintrat, die der normaler Nervenzellen entsprachen. Er erkannte, dass das Enzym Natriumionen benötigt, um ADP zu ATP zu phosphorylieren, und Kaliumionen, um die energiereiche Phosphatbindung wieder zu lösen.
Paul Boyer begann Anfang der 1950er-Jahre mit dem Studium dieses wichtigen Enzyms. Ihn interessierte, wie die ATPase funktioniert, und speziell, wie das Enzym ATP bildet. Ein grobes Bild des Aufbaus war zu diesem Zeitpunkt bereits bekannt. Der F0-Teil sitzt innerhalb der Membran. Durch ihn strömen die Protonen. Der das ATP synthetisierende F1-Teil schließt sich an; er ragt aus der Membran heraus. Boyers Arbeitsgruppe gelang es nach intensiven Studien, die genaue Funktionsweise des Enzyms herauszufinden.
Für die Forschung bleibt noch viel zu tun
Entgegen der allgemeinen Überzeugung war der energieverbrauchende Schritt nicht die Bildung des ATP aus ADP und anorganischem Phosphor. Die Energie wurde benötigt, um ADP und Phosphor an das Enzym zu binden und als ATP freizusetzen. Boyer erklärte den seltsamen Vorgang damit, dass die Ausgangsstoffe durch ihre Bindung in eine lipophile (fettliebende) Umgebung gebracht werden. Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht der chemischen Reaktion in Richtung ATP, das sich dadurch von selbst bildet.
Boyer beobachtete, dass das Enzym, trotz des asymmetrischen Aufbaus von F1, nur in einer einzigen Weise reagiert. Er erkannte, dass die Untereinheiten Gamma, Delta und Epsilon in einem Zylinder rotieren, der aus Alpha- und Betaeinheiten besteht. Die Kreisbewegung verändert die Struktur und die Bindungsfähigkeit der Betaeinheit. Diesen Vorgang nannte Boyer Wechselbindungsmechanismus. Danach befinden sich die drei katalytischen Zentren gleichzeitig in verschiedenen Zuständen. Eines ist leer, das zweite bindet ADP und Phosphat nur locker, das dritte so fest, dass automatisch ATP daraus entsteht.
John Walker begann in den 1980er-Jahren mit der schwierigen Strukturaufklärung des Enzyms. Seine Ergebnisse untermauern Boyers Theorie. Zunächst bestimmte er die Aminosäurensequenz der Untereinheiten der ATPase. In Zusammenarbeit mit niederländischen und englischen Gruppen gelang es ihm, die dreidimensionale Struktur des F1-Teils aufzuklären. Die bananenförmige Gammauntereinheit sitzt als asymmetrische Achse in der Mitte des Zylinders von F1. Sie bindet an die Betaeinheit und beeinflusst ihre aktive Oberfläche, verschiedene dreidimensionale Strukturen auszubilden. Die Rotation des Enzyms konnte Walker nicht beweisen. Das gelang erst 1995 einer Gruppe von Biophysikern der Universität Osnabrück. Doch trotz aller Forschung sind noch immer nicht alle Geheimnisse um die ATP-Synthese gelüftet.
U. Schulte