Chemie-Nobelpreisträger: Wie Zellen Nachrichten senden

Eigentlich hätte es ein unspektakulärer Mittwoch werden sollen. Der alltägliche Gang zur Arbeit stand an und ein Besuch beim Friseur. Doch dann begann der Tag des Robert Lefkowitz damit, dass er beinahe den Anruf des Nobelkomitees verschlafen hätte: "Ich habe das Telefon nicht gehört, weil ich im Bett immer Ohrstöpsel trage. Meine Frau hat mich geweckt." Per Telefon bekam er die frohe Botschaft: Der 69-jährige US-Amerikaner erhält den Nobelpreis für Chemie gemeinsam mit seinem Kollegen, dem 57-jährigen Brian Kobilka.

Die beiden Zellbiologen entschlüsselten Strukturen in der Zellwand, die wichtige Signale von außen in das Innere der Zelle leiten. G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR), wie diese Sensoren heißen, sind essenziell für die Kommunikation von Zellen und steuern zum Beispiel die Ausschüttung von Hormonen. Mehr als die Hälfte aller heute eingesetzten Medikamente beruht auf den Ergebnissen der Preisträger. Durch das Andocken an GPC-Rezeptoren manipulieren viele Pharmazeutika Mechanismen im Körper. "Zu wissen, wie diese Rezeptoren im Detail aussehen und funktionieren, hilft uns, bessere Medikamente mit weniger Nebenwirkungen zu entwickeln", betonte das Nobelkomitee.

Schnelle Atmung, starkes Herzklopfen und erhöhter Blutdruck - das sind Körperreaktionen auf Schock oder auch Aufregung. Ähnliches verspürte wohl auch Lefkowitz nach dem Anruf aus Stockholm. Dabei steigt die Konzentration des Stresshormons Adrenalin. Das Hormon dockt an einen GPC-Rezeptor in der Zellwand an. Die Folge: Die Form des Rezeptors ändert sich - was wiederum weitere Reaktionen im Zellinneren auslöst.

Solche Prozesse spielen bei unzähligen Körperfunktionen eine Rolle. Ob beim Sehen, Riechen, Schmecken oder der Hormonproduktion - das Prinzip ist stets dasselbe: Ein Signal von außen, wie Licht oder ein Hormonmolekül, bindet sich an einen GPC-Rezeptor. Dieser ändert seine Form und aktiviert das G-Protein, das eine Kette von Reaktionen in der Zelle auslöst. In nahezu allen physiologischen Prozessen sind GPC-Rezeptoren mit von der Partie.

Circa 1000 dieser Rezeptoren sind inzwischen bekannt. Schon in den 40er-Jahren vermuteten Forscher, dass Zellen über Rezeptoren kommunizieren. Und sie entwickelten erste Herzmedikamente, die das Verhalten der Zellen beeinflussten. Doch wie und warum das funktioniert, blieb lange ein Rätsel. Lefkowitz und Kobilka arbeiteten drei Jahrzehnte daran, die dreidimensionale Struktur und Wirkungsweise der GPC-Rezeptoren vollends aufzuklären. Am Ende profitierten die Forscher von ihrer Hartnäckigkeit und Fortschritten in der Methodik.

1968 beginnt Lefkowitz am National Institute of Health die Suche nach den Rezeptoren. Mithilfe von Radioaktivität will er diese markieren und sichtbar machen. Er hat Erfolg und identifiziert unter anderem einen Adrenalinrezeptor. Mitte der 80er-Jahre stellt Lefkowitz, der inzwischen eine eigene Arbeitsgruppe leitet, den jungen Arzt Kobilka ein. Sie entschlüsseln das Gen, das einen bestimmten Adrenalinrezeptor kodiert. Dabei machen sie eine erstaunliche Entdeckung: Dieser Rezeptor hat dieselbe Struktur wie ein schon bekannter, der aber eine andere Funktion erfüllt.

Ihr Fazit: Es muss eine ganze Familie von GPCRs geben, die über denselben Mechanismus verschiedenste Prozesse im Körper steuern. "Aus dieser Erkenntnis ergaben sich wichtige Impulse für die Pharmakologie", sagt Peter Gmeiner von der Universität Erlangen-Nürnberg, der auch mit Kobilka zusammenarbeitet. Viele der heute meist verschriebenen Medikamente auf dem Markt, wie Betablocker, Neuroleptika oder Antihistaminika, setzen an diesen Rezeptoren an.

Lefkowitz und Kobilka forschen indes weiter. 2011 gelang Kobilka Beeindruckendes: Er schoss ein Foto der Kristallstruktur eines Rezeptors - und zwar exakt im Moment der Signalübertragung.