Blickpunkt

Guaninnucleotid-bindende (G-) Proteine sind an Signalketten beteiligt, etwa beim Sehprozess, bei der Geschmacks- und Geruchswahrnehmung sowie bei der Umsetzung von Hormonsignalen. Die G-Proteine empfangen ihre Anweisungen von in die Zellmembran eingelagerten Rezeptoren, die folgerichtig G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (G protein coupled receptor, GPCR) heißen.
Ein wichtiger und gut erforschter Rezeptor dieser Art ist das Sehpigment in den Stäbchenzellen des Auges, das Rhodopsin (auch Sehpurpur genannt). Licht schaltet dieses zwischen vollständig inaktivem und aktivem Zustand um. Vollständig aktiv heißt die Molekülform, die dann ihrerseits das zugehörige G-Protein, in diesem Fall das Transducin, aktiviert. Der Schalter, der dies ermöglicht, ist die durch Absorption eines einzelnen Photons ausgelöste Isomerisierung des Cofaktors Retinal von der 11-cis-Konformation in die all-trans-Konformation. Aufgrund dieser günstigen Voraussetzung sind beide Zustände des Rhodopsins bis ins Detail charakterisiert.
Allerdings ist Rhodopsin ein untypischer Einzelfall. Die Mehrheit der mehr als 800 im menschlichen Genom codierten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren reagiert nicht auf Licht, sondern auf die Anwesenheit von Molekülen, wie molekulare Botenstoffe (Hormone, Neurotransmitter) oder Geschmacks- und Geruchsstoffe. Daher ist es nicht so einfach wie beim Rhodopsin, den aktivierten Zustand des Rezeptors in Reinform zu erhalten und zu charakterisieren. Gelungen ist dies jetzt erstmals mit einem Rezeptor, der unter anderem das Stresshormon Adrenalin erkennt: dem b2-Adrenozeptor, dessen nichtaktivierte Kristallstruktur seit dem Jahr 2007 bekannt ist.
Im Gegensatz zum Rhodopsin reicht bei Adrenozeptoren die Gegenwart des Signals allein nicht aus, um den Rezeptor in den aktiven Zustand zu versetzen. Zusätzlich muss das nachgeschaltete G-Protein, in diesem Fall GS, bereits gebunden vorliegen. Dies ergab die Infrarotspektroskopie an suspendierten Membranvesikeln.
Kristallisiert man aber den Rezeptor zusammen mit dem aktivierenden Molekül und dem G-Protein, so findet sich im Kristall immer noch die inaktive Form. Dies zeigten die Arbeitsgruppen von Brian Kobilka an der Stanford-Universität1 und von Christopher Tate am MRC Labor für Molekularbiologie in Cambridge2 unabhängig voneinander mit ihren Strukturanalysen.


<h2>Hilfreicher Lama-Antikörper</h2>
Der Durchbruch zur Struktur des aktivierten Rezeptors gelang Kobilkas Arbeitsgruppe mit einer erst in den 90er Jahren entdeckten Kuriosität der Natur, dem Schwere-Ketten-Antikörper der Camelidae, also der Tierfamilie, zu der die Kamele, Dromedare und Lamas gehören.
Bei einem zunächst fehlgeschlagen scheinenden Praktikumsversuch fanden Studenten an der Freien Universität Brüssel damals Antikörper, die statt dem üblichen Quartett aus zwei schweren und zwei leichten Ketten ausschließlich zwei schwere Ketten enthielten. Diese Entdeckung erwies sich als außerordentlich nützlich, da bei normalen Antikörpern die Bindungsstelle für das Antigen (also den Fremdstoff, den das Immunsystem mit dem Antikörper identifiziert und bekämpft) aus zwei Molekülen besteht, nämlich aus einem Abschnitt der schweren und einem der leichten Kette. Bei den einfacher strukturierten Antikörpern der Camelidae hingegen besteht die Bindungsstelle ausschließlich aus einer Region der schweren Kette. Für biochemische und biotechnische Anwendungen ergibt sich daraus die Chance, die antigenbindende Domäne eines solchen Antikörpers als Miniatur-Antikörper (Nanobody) einzusetzen.
Einen solchen Nanobody erzeugte Kobilkas Arbeitsgruppe in Zusammenarbeit mit Forschern von der Freien Universität Brüssel. Die Forscher immunisierten ein Lama mit Phospholipidvesikeln, welche den Adrenalin-Rezeptor und dessen Agonisten enthielten, und erhielten mehrere Antikörper gegen den Rezeptor. Einer von ihnen, den die Forscher in seiner auf 14 kDa reduzierten Form Nb80 tauften, erwies sich als besonders vielversprechend, da er sich in Bindungsstudien genauso verhielt wie das entsprechende G-Protein.
Kristallisation des Rezeptors in Anwesenheit von Nb80 und des Agonisten BI 167107 von Boehringer Ingelheim ergab dann eine Struktur, die von der in anderen Studien erhaltenen inaktiven Konformation deutlich abweicht, und vermutlich dem natürlichen aktiven Zustand nahekommt.


<h2>Kleine und große Unterschiede</h2>
Vergleichsuntersuchungen zwischen der aktiven und der inaktiven Konformation zeigen sowohl kleine als auch große Unterschiede. Die größten Veränderungen beobachtet man auf der inneren, also dem Cytoplasma zugewandten Seite der Membran. Dort ordnen sich die Enden der Helices deutlich anders an, es kommt zu Verschiebungen von bis zu 11 Å. Ein Prolinrest in der Helix TM6 dient dabei als Scharnier, um das sich die Struktur dreht (Abbildung 1).
Besonders für Lehrbuchautoren ist es beruhigend zu erfahren, dass diese drastischen Bewegungen weitgehend mit den entsprechenden Vorgängen bei der Aktivierung des Rhodopsins übereinstimmen. Auch wenn diese bereits viel besser untersuchte Lichtantenne einen Sonderfall darstellt, so scheinen doch die molekularen Bewegungen, mit denen der Rezeptor auf das aktivierende Signal reagiert, recht ähnlich zu sein.
Die Veränderungen in der Bindungstasche für den Liganden (Agonisten) sind hingegen vergleichsweise bescheiden. Unklar ist außerdem, wie die Anwesenheit der beiden Bindungspartner die größeren Strukturumordnungen an der Innenseite der Membran bewirkt. Weitere Aufschlüsse über die subtilen Wechselwirkungen der Liganden mit der Bindungstasche gibt die Arbeit aus Cambridge,2) bei der mehrere Liganden zum Vergleich vorliegen (obwohl nicht in der aktiven Konformation).


<h2>Ausblick</h2>
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind Ziele für etablierte und neue Medikamente. So wirken Betablocker auf βb-Adrenozeptoren wie den hier diskutierten b2-Adrenozeptor; es handelt sich also um b-Adrenozeptor-Antagonisten. Antihistaminika hemmen die Histaminrezeptoren, die ebenfalls G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind. Ein verbessertes Verständnis der strukturellen Grundlagen ihrer Funktion wird die Entwicklung neuer, spezifischerer (und damit nebenwirkungsarmer) Medikamente unterstützen.
Darüber hinaus handelt es sich bei den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren um ein wichtiges Gebiet des fundamentalen biochemischen Verständnisses von Kommunikationsprozessen im menschlichen Körper und in anderen Säugetieren. Zum Beispiel wurde der Rezeptor für salzigen Geschmack erst vor gut einem Jahr aufgespürt.4 Auch die molekularen Antennen für die anderen Geschmacksrichtungen sind erst seit der Jahrtausendwende identifiziert und sind lange nicht umfassend erforscht.
Vielleicht bewährt sich der geniale Trick mit dem Lama-Antikörper auch bei anderen Rezeptoren.
Michael Groß, promovierter Biochemiker, arbeitet als freier Wissenschaftsautor in Oxford, England. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>, <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.proseandpassion.com" target="_blank">www.proseandpassion.com</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

 
D. M. Rosenbaum, 
C. Zhang, 
J. A. Lyons et al., 
<source>Nature 
(2011), 
469, 
236.
</li>
<li>
2 

 
T. Warne, 
R. Moukhametzianov, 
J. G. Baker et al., 
<source>Nature 
(2011), 
469, 
241.
</li>
<li>
3 

 
S. G. F. Rasmussen, 
H.-J. Choi, 
J. J. Fung et al., 
<source>Nature 
(2011), 
469, 
175.
</li>
<li>
4 

 
J. Chandrashekar, 
C. Kuhn, 
Y. Oka et al., 
<source>Nature 
(2010), 
464, 
297.
</li>
<li>
5 

 
S. R. Sprang, 
<source>Nature 
(2011), 
469, 
173.
</li>
</ul>

Artikel

Mini‐Antikörper für Maxi‐Effekt

Guaninnucleotid-bindende (G-) Proteine sind an Signalketten beteiligt, etwa beim Sehprozess, bei der Geschmacks- und Geruchswahrnehmung sowie bei der Umsetzung von Hormonsignalen. Die G-Proteine empfangen ihre Anweisungen von in die Zellmembran eingelagerten Rezeptoren, die folgerichtig G-Protein...

Das Kernstück des modular aufgebauten Reaxys-Servers ist das Substanzmodul mit umfangreichen Substanzdossiers. Diese sind über Hyperlinks mit einem Reaktions- und Literaturmodul verbunden. Je nach Frage recherchieren Nutzer in einem der drei Module.


<h2>Topologische Recherchen</h2>
Die zuverlässigste Art, Substanzen zu suchen, die mit Strukturformeln beschreibbar sind, ist die Struktur- und Substrukturrecherche. Zur Vorbereitung der Suchanfrage steht standardmäßig das Java-Applet Marvinsketch von Chemaxon als Struktureditor zur Verfügung (Abbildung 1).
Wie in den meisten Struktureditoren lassen sich intuitiv Suchanfragen zeichnen. Allerdings ist es etwas gewöhnungsbedürftig, spezifische Atomattribute zu formulieren wie radikalische Positionen, Isotopenmarkierungen, maximale Koordinationszahl oder Anknüpfpunkte in generischen Gruppen.
Nach dem Transfer der zu suchenden Strukturformel in die Suchmaske muss der Nutzer entscheiden, ob er die Strukturformel exakt oder als Teil einer größeren Strukturformel suchen möchte. Da bei kann er Stereoverbindungen und Salze, Mischungen und isotopenmarkierte Verbindungen sowie weitere Ringschlüsse ausschließen.
In der Regel ist die Suche innerhalb weniger Sekunden beendet und das Suchergebnis in Trefferlisten zusammengefasst. Hyperlinks blättern die Substanzeigenschaften auf.
In der Suchmaske des Reaktionsmoduls lassen sich auch Reaktionen grafisch suchen. Im zugehörigen Struktureditor vergibt der Nutzer Rollen für Reaktanden und Produkte und kennzeichnet übereinstimmende Atome in den Ausgangs- und Endstoffen (Mapping). Die Suchergebnisse sind über Reaktionsbedingungen wie Ausbeute, Druck, Temperatur, Lösungsmittel oder Katalysatoren weiter einschränkbar.


<h2>Textrecherchen</h2>
Substanzen lassen sich statt über Strukturen auch über Identifikationsdaten suchen, zum Beispiel über Substanznamen, Summenformeln, CAS-Registry-Nummern etc. Da die Datenbankstruktur über 400 Suchfelder verfügt, ermöglicht Reaxys zudem gezielte Suchen nach chemischen, physikalischen, spektroskopischen, pharmakologischen und ökotoxikologischen Eigenschaften. Zu den physikalischen Informationen gehören mechanische, thermische, thermodynamische, magnetische, elektrische, elektrochemische und optische Daten. Für die Textrecherchen stehen zwei Modi zur Verfügung: die maskenbasierte und die kommandosprachenbasierte Suche.
Allerdings beschränkt sich die maskenbasierte Suche auf wenige, häufig genutzte Suchfelder (Abbildung 2). Die anderen sind nur im Modus für Fortgeschrittene nutzbar. Das Suchfeld lässt sich dort entweder durch Aufblättern der Datenbankstruktur oder durch Stringsuche herausfinden.
Bei den meisten Suchfeldern kann man die zugehörige Indexdatei aufblättern und einen Wert heraussuchen oder selbst eingeben. Dadurch wird das Suchfeld automatisch mit dem Eintrag in die Suchmaske übertragen, ohne dass der Nutzer die korrekte Syntax kennen muss. Weitere Suchfelder lassen sich ergänzen. Die logischen Verknüpfungen (Boolesche, Nachbarschafts- und numerische Operatoren) sind über Dropdown-Menus wählbar (Abbildung 3).
Während einer Datenbanksitzung werden alle Suchergebnisse temporär auf dem Server gespeichert (History), so dass sie später noch einmal angezeigt und mit den Booleschen Operatoren verknüpft werden können.


<h2>Neue Reaktionssuchen</h2>
Als neues Feature enthält Reaxys den Syntheseplaner, den synthetisch arbeitende Chemiker begrüßen werden. Wählt man im Ergebnisfenster eine Reaktion über den Synthesize-Hyperlink aus, wird die Reaktionsgleichung in ein separates Fenster, den Syntheseplaner kopiert. Dort lassen sich für die Reaktanden bekannte Präparationen aufrufen, auswählen und in das Syntheseschema kopieren (Abbildung 4). Unter dem Syntheseschema sind die Darstellungsdetails einschließlich der Literaturstellen gelistet. Das Reaktionsschema lässt sich zurückverfolgen, bis man eventuell auf Ausgangstoffe trifft, die kommerziell erhältlich sind. Solche Stoffe sind mit Hyperlinks zur freien Datenbank eMolecules versehen. Sie enthält Einträge aus Chemikalienkatalogen.
Wenn ein Nutzer mit dem Reaktionssuchergebnis nicht zufrieden ist, kann er seit kurzem über einen Hyperlink in der Ergebnisanzeige ähnliche Reaktionen suchen, ohne die Suchanfrage neu zu formulieren. Es bieten sich dabei drei Möglichkeiten: Die enge Ähnlichkeitssuche berücksichtigt die Reaktionszentren sowie die erste und zweite Atomsphäre; die mittlere Ähnlichkeitssuche bezieht die Reaktionszentren sowie die erste Atomsphäre ein, und die breite Suche nutzt nur die Reaktionszentren.


<h2>Personalisierter Zugang</h2>
Der Zugang zu Reaxys erfordert eine Lizenz, die über die IP-Adresse kontrolliert wird. Standardmäßig nutzt man die Datenbanken anonym. Man kann sich jedoch persönlich registrieren und damit folgende Vorteile nutzen:
<list list-type="order">
<list-item>
</list-item></list>deutlich längeres Timeout,

<list-item>
persönliche Einstellungen wie einen anderen Struktureditor,
</list-item>
<list-item>
Speichern von Trefferlisten und
</list-item>
<list-item>
eine automatische Benachrichtigung über neue Suchergebnisse durch persönliche Suchprofile.
</list-item>

So können angemeldete Nutzer ihren bevorzugten Struktureditor als Standardeditor definieren, wie den Crossfire Structure Editor, Symyx Draw, Symyx Isis Draw, Cambridgesoft Chem Draw oder ICEdit.


<h2>Benutzerfreundlich, aber noch unvollkommen</h2>
Reaxys ist benutzerfreundlicher als der bewährte Vorgänger Crossfire, insbesondere weil alle Datenbanken in einer einheitlichen Datenbankstruktur recherchierbar sind. Dank der reichhaltigen Faktensammlung und Schlagwörter findet der Nutzer in Reaxys physikalische, chemische, spektroskopische und toxikologische Eigenschaften leichter als in bibliografischen Datenbanken.
Die Verlinkung der Substanzdokumente mit Chemikalienkatalogen über eMolecules und der neue Syntheseplaner sind eine Bereicherung. Neu hinzugekommen ist kürzlich zudem die Verknüpfung mit externen chemischen Sicherheitsdaten (Hazmat).
Allerdings fehlen für anorganische und metallorganische Verbindungen Suchmöglichkeiten spezieller Stereoanordnungen (z.B. trigonal pyramidal, quadratisch pyramidal etc.), die in Crossfire möglich waren. Wünschenswert wäre zudem, wenn in Reaxys für Komplexverbindungen das textbasierte Ligandensuchsystem aus Crossfire übernommen werden könnte. Es vernachlässigt den detaillierten Aufbau der Liganden und beschreibt nur die Zentralatome sowie die sie koordinierenden Atome der Liganden. Damit hätte der Nutzer wieder eine wertvolle Alternative zur Substrukturrecherche von Koordinationsverbindungen.
Unbefriedigend ist zurzeit noch die Suche nach Mehrkomponentensystemen wie keramischen Materialien. Ergänzend zur Struktur- und Substruktursuche wäre die Ähnlichkeitssuche zu wünschen.
Jürgen Vogt leitet seit dem Jahr 1987 an der Universität Ulm die Arbeitsgruppe Chemieinformationssysteme (vormals Sektion Spektren- und Strukturdokumentation). Er ist Koautor von Johann Gasteigers “Handbook of Chemoinformatics” und von “Chemoinformatics — A Textbook”. <a href="mailto:juergen.vogt@uni-ulm.de">juergen.vogt@uni-ulm.de</a>


<h2>— — — Von gedruckten Nachschlagewerken zur Internet-Datenbank</h2>
Seit Mitte der 1990er Jahre ließen sich die Struktur- und Faktendatenbanken Beilstein und Gmelin über das Client-Programm Crossfire Commander unter Crossfire nutzen. In dieser Zeit stoppte die Herausgabe weiterer Printausgaben von “Beilstein Handbook of Organic Chemistry” bzw. “Gmelin Handbook of Inorganic and Organometallic Chemistry”. Die neuere Fachliteratur wird nun ausschließlich für die Datenbanken ausgewertet.
Wegen unterschiedlicher Datenbankstrukturen waren Texte in beiden Datenbanken separat zu recherchieren. Vor gut einem Jahr startete der Verlag Elsevier mit Reaxys einen neuen Server, auf dem sich die Datenbanken mit einem WWW-Browser plattformunabhängig recherchieren lassen. Neben Beilstein und Gmelin enthält Reaxys in einer gemeinsamen Datenbankstruktur zusätzlich eine Chemie-Patentdatenbank. Zurzeit sind insgesamt über 19 Mio. Substanzen, über 29 Mio. Reaktionen und über 4 Mio. Publikationen erfasst. Darunter sind mehr als 750 000 Patentschriften. Beilstein und Gmelin werteten seit Mitte des 19. Jahrhunderts bis 1980 den chemischen Teil der Patentliteratur aus. Dagegen erfasst die Chemie-Patentdatenbank in Reaxys seit dem Jahr 1976 die Patentschriften der drei größten Patentämter: des europäischen, des amerikanischen und der Weltorganisation für geistiges Eigentum (World Intellectual Property Organization, Wipo).


<h2>— — — Auf einen Blick</h2>
Die Reaxys-Lizenz kann IP-kontrolliert mit den Java-fähigen Browsern Internet Explorer und Mozilla Firefox sowohl unter Windows als auch MAC OS genutzt werden. Obwohl Linux offiziell nicht unterstützt wird, haben einige Nutzer positive Erfahrungen mit Mozilla Firefox als Browser.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.reaxys.com/info/contact" target="_blank">www.reaxys.com/info/contact</a></ext-link>


<h2>— — — Kurz notiert</h2>


<h2>Scifinder erweitert</h2>
Der Chemical Abstracts Service hat mit der Version “Fall 2010” das Angebot seiner Suchmaschine für chemische Datenbanken, Scifinder, erweitert:
Der Benutzer kann Versuchsabläufe und experimentelle Vorschriften zu Reaktionen einsehen und beurteilen, ohne auf Primärliteratur zugreifen zu müssen. Dazu wertet Scifinder die experimentellen Daten von sechs Journalen der American Chemical Society sowie Patenten der amerikanischen, europäischen und weltweiten Organisationen aus.
Suchergebnisse lassen sich unter anderem nach Publikationsjahr, Ausbeute oder Anzahl von Syntheseschritten sortieren.
Besitzt ein Anwender zu einer Substanz einen Textstrang auf Basis von Smiles- oder Inchi-Strängen, konvertiert der Scifinder-Zeichen- editor diese in eine zweidimensionale Struktur. Smiles- und Inchi-Stränge sind Übersetzungen von zwei- und dreidimensionalen Molekülen in standardisierte Zeichenketten.
Ruben Eckermann, Frankfurt

Artikel

Mini‐Antikörper für Maxi‐Effekt

Überprüfung Ihres Anmeldestatus ...