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Die Atmung ist ein grundlegender Prozess aller Lebewesen, der es ihnen ermöglicht, Energie zu produzieren, gesund zu bleiben und zu überleben. In den Zellen sind an der Atmung so genannte «Atmungsproteine» beteiligt, z.B. Hämoglobin im Blut und Myoglobin in den Muskeln.
Hämoproteine wirken, indem sie kleine Moleküle wie Sauerstoff, Kohlenmonoxid usw., so genannte Liganden, binden und freisetzen. Sie tun dies durch ihr «aktives Zentrum», das in vielen Atemproteinen ein Molekül mit dem Namen Porphyrin ist.
Die Bindung und Freisetzung kleiner Moleküle führt zu Veränderungen in der molekularen und elektronischen Struktur des Porphyrins. Eine solche Veränderung entspricht dem Übergang von einer planaren Form von gebundenem Porphyrin in einem Zustand mit niedrigem Spin zu einer gewölbten, ungebundenen Form mit hohem Spin. Diese Verschiebung ist ein Schlüsselschritt für die Atmung, der letztendlich das Hämoglobin zwischen einer «entspannten» und «angespannten» Konformation umschaltet.
Elektronen drehen sich um Atome, aber auch um sich selbst und können von einem Spin-Zustand in einen anderen übergehen. Die Debatte über den Übergang von einem planaren Hämoglobin mit niedrigem Spin zu einem gewölbten Hämoglobin mit hohem Spin wird von zwei Denkschulen dominiert: Der Prozess erfolgt entweder durch thermische Relaxation oder durch eine Kaskade zwischen den Spinzuständen der Elektronen.
Nun hat ein Team von Forschenden unter der Leitung von Majed Chergui an der School of Basic Sciences der EPFL die Debatte gelöst. Die Forschenden lösten das kleine Molekül mit kurzen, energetisierenden Laserpulsen aus dem Häm. Dann verwendeten sie einen weiteren kurzen, harten Röntgenpuls eines Freie-Elektronen-Röntgenlasers, um die Röntgenemission (XES) zu induzieren, einen sehr empfindlichen Fingerabdruck des Spin-Zustands der Moleküle, der die Veränderungen des Häm als Funktion der Zeit verfolgt. So konnten sie feststellen, dass der Übergang von planar zu gewölbt und zurück durch eine Kaskade von Spin-Zuständen verursacht wird.
Myoglobin (rechts) und seine Hämregion (links). Kredit: Majed Chergui (EPFL) © 2020 EPFL
Die Studie wurde an Nitrosyl-Myoglobin durchgeführt, d.h. an Myoglobin, das ein Stickoxidmolekül gebunden hat. Nitrosyl-Myoglobin spielt eine entscheidende Rolle bei der Neurotransmission, der Regulierung der Vasodilatation, der Thrombozytenaggregation und der Immunantwort.
«Die Schlussfolgerungen unserer Arbeit gelten für alle Häm-Proteine», sagt Chergui. «insbesondere für Hämoglobin bei der Aufnahme und Abgabe von Sauerstoff beim Atmen. Obwohl dies bei den thermischen Temperaturen des Körpers geschieht, wird die Atmung durch elektronische Veränderungen im Häm gesteuert.»