Hochaufgelöste Rotationsspektroskopie hat eine beispiellose Zahl von Konformationen eines Geruchsstoffmoleküls offenbart. Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL unter der Leitung von CUI-Mitglied Dr. Melanie Schnell konnten die komplexe Konformationslandschaft eines duftenden Biomoleküls entschlüsseln. Die Erkenntnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Chemistry Chemical Physics publiziert.
Struktur der stabilsten, kugelähnlichen Form von Citronellal. Foto: S. R. Domingos / MPSD
Die Wissenschaft des Geruchssinns gibt bis heute Rätsel auf, und die Frage, wie unser Körper Gerüche interpretiert, ist immer noch aktuelles Thema weltweiter Debatten. Wir wissen immerhin so viel: Die Funktion eines bestimmten Biomoleküls ist unmittelbar davon abhängig, wie dieses Molekül in den jeweiligen biologischen Rezeptor „hineinpasst“ – so wie ein Schlüssel, der nur ein bestimmtes Türschloss schließt. Viele biochemische Prozesse werden durch dieses sogenannte Schlüssel-Schloss-Prinzip gesteuert. Die Größe, Form und Flexibilität des Schlüssels bestimmen, wie gut er sich an sein Ziel binden kann: Kann er das richtige Schloss öffnen oder nicht?
Vorliebe für kugelförmige Strukturen bei Citrnonellal
Um Aufschluss über diese Mechanismen zu erhalten, führten die Forscher eine hochaufgelöste rotationsspektroskopische Untersuchung von Citronellal durch – einem vielseitigen biochemischen Ausgangsstoff, der in vielen ätherischen Ölen natürlich auftritt. Er hat einen ausgeprägten Zitronenduft und wird häufig in der kosmetischen Industrie eingesetzt. Die Forscher entdeckten, dass dieses Molekül eine beachtliche Zahl von Formen, sogenannte Konformationen, annehmen kann, allein durch Rotationen um fünf verschiedene Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen. Diese miteinander abgestimmten Rotationen führen zu einer außergewöhnlich großen Zahl stabiler Formen des Moleküls. Insgesamt konnten fünfzehn Formen identifiziert werden. „Wir haben Anhaltspunkte dafür, dass dieses unglaublich flexible System eine Vorliebe für kugelförmige Strukturen hat, sich also bevorzugt ineinander faltet“, sagt Dr. Sérgio Domingos, Erstautor der Arbeit. „Diese Beobachtung erlaubte es uns, wichtige Informationen bezüglich der möglichen Wechselwirkungen dieses Moleküls mit biologischen Rezeptoren abzuleiten.“
Die Zahl der Konformationen, also der Schlüssel, welche bei diesem Molekül beobachtet wurden, stellt einen Weltrekord in der Fachwelt der Mikrowellenspektroskopie dar. „Die außergewöhnliche Fähigkeit dieses Duftmoleküls, seine Form zu verändern, erlaubt besondere Einblicke in die Beziehung zwischen Struktur und Funktion eines Biomoleküls. Wir haben nicht nur fünfzehn Schlüssel gefunden, sondern haben nun auch ein besseres Verständnis, welche von ihnen besser in das Schloss passen könnten“, sagt Gruppenleiterin Melanie Schnell abschließend.
Originalpublikation:
Sérgio R. Domingos, Cristóbal Pérez, Chris Medcraft, Pablo Pinacho und Melanie Schnell
„Flexibility unleashed in acyclic monoterpenes: conformational space of citronellal revealed by broadband rotational spectroscopy“
Physical Chemistry Chemical Physics 18 (25), 16682-16689 (2016)
DOI: 10.1039/C6CP02876D