Jede Sekunde produziert Ihr Körper riesige Mengen eines kleinen Moleküls namens Adenosintriphosphat, kurz ATP. Es ist die universelle Energiewährung des Lebens: Muskeln, Nerven und fast jeder Vorgang in Ihren Zellen werden damit bezahlt. Wie dieses Molekül hergestellt wird, gehört zu den faszinierendsten Fragen der Biochemie. Der britische Chemiker Sir John Ernest Walker hat entscheidend dazu beigetragen, sie zu beantworten. Er bestimmte die räumliche Struktur der ATP-Synthase, eines Enzyms, das wie eine winzige rotierende Maschine funktioniert. Dafür erhielt er 1997 den Nobelpreis für Chemie. In diesem Porträt lernen Sie den Forscher und seine Entdeckung näher kennen.
Herkunft und Ausbildung
John E. Walker wurde am 7. Januar 1941 in Halifax in der englischen Grafschaft Yorkshire geboren. Er wuchs in einer Familie mit Steinmetz-Tradition auf und besuchte die Rastrick Grammar School. Schon in der Schule interessierte er sich für Naturwissenschaften und Mathematik. Er studierte Chemie am St Catherine’s College der University of Oxford und schloss 1964 mit dem Bachelor ab. Anschließend promovierte er in Oxford bei E. P. Abraham über Peptid-Antibiotika; die Doktorarbeit schloss er 1969 ab.
Nach der Promotion verbrachte Walker mehrere Jahre im Ausland. Er arbeitete an der University of Wisconsin in den USA und danach in Frankreich, unter anderem am CNRS in Gif-sur-Yvette und am Institut Pasteur in Paris. In dieser Zeit wandte er sich zunehmend der Proteinchemie zu. 1974 kam er an das Laboratory of Molecular Biology (LMB) des britischen Medical Research Council in Cambridge, eines der berühmtesten Forschungsinstitute der Welt. Dort arbeitete er zunächst mit Fred Sanger, dem zweifachen Chemie-Nobelpreisträger, und beschäftigte sich mit der Sequenzierung von Proteinen und Genen.
Die Kraftwerke der Zelle
Um Walkers Forschung zu verstehen, lohnt ein Blick in die Mitochondrien. Das sind kleine Strukturen in fast allen Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen, oft als Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Dort wird die Energie aus der Nahrung genutzt, um Wasserstoffionen, also Protonen, über eine Membran zu pumpen. Auf einer Seite der Membran sammeln sich dadurch mehr Protonen als auf der anderen, ähnlich wie Wasser hinter einem Staudamm. Diese Idee stammt von dem britischen Biochemiker Peter Mitchell, der dafür 1978 selbst den Chemie-Nobelpreis erhielt.
Die ATP-Synthase ist sozusagen die Turbine in diesem Staudamm. Die Protonen strömen durch das Enzym zurück, und die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat das energiereiche ATP zu bilden. Wie genau ein Protein diese Umwandlung bewerkstelligt, war lange unklar. Der US-Amerikaner Paul D. Boyer hatte in den 1970er-Jahren eine kühne Hypothese aufgestellt: Ein Teil des Enzyms soll sich drehen, und durch diese Drehung sollen die drei katalytischen Zentren nacheinander verschiedene Formen annehmen. Boyer nannte das den Bindungswechsel-Mechanismus.
Die Struktur der ATP-Synthase
Walker begann in den späten 1970er- und 1980er-Jahren, die ATP-Synthase systematisch zu untersuchen. Zunächst bestimmte er die Abfolge der Aminosäuren in den verschiedenen Untereinheiten des Enzyms, eine mühsame Arbeit, die Methoden der Protein- und DNA-Sequenzierung verband. Dabei fiel ihm unter anderem auf, dass bestimmte Sequenzabschnitte in vielen Proteinen vorkommen, die ATP binden. Diese Erkenntnis ging als sogenannte Walker-Motive in die Lehrbücher ein. Sie helfen bis heute dabei, in neu entschlüsselten Genen mögliche ATP-bindende Proteine zu erkennen.
Der entscheidende Schritt gelang mit der Röntgenkristallografie. Bei dieser Methode werden Proteine zunächst zu Kristallen gezüchtet und dann mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Aus dem Beugungsmuster lässt sich die Lage der einzelnen Atome berechnen. Bei einem so großen und komplizierten Enzym wie der ATP-Synthase war das eine enorme Herausforderung. 1994 veröffentlichten Walker und seine Kollegen in der Zeitschrift Nature die Struktur des katalytischen Teils, des sogenannten F1-Teils, aus Rinderherz-Mitochondrien. Das Bild zeigte drei Paare von Untereinheiten, die wie Orangenschnitze um eine zentrale Achse angeordnet sind.
Das Bemerkenswerte war: Die drei katalytischen Zentren befanden sich tatsächlich in unterschiedlichen Zuständen, eines leer, eines mit ADP und eines mit einem ATP-ähnlichen Molekül besetzt. Die zentrale Achse war asymmetrisch und konnte durch ihre Drehung genau diese Zustandswechsel auslösen. Damit bestätigte Walkers Struktur Boyers Hypothese auf atomarer Ebene. Wenig später konnten japanische Forscher um Masasuke Yoshida und Kazuhiko Kinosita die Rotation sogar unter dem Mikroskop direkt sichtbar machen, indem sie einen fluoreszierenden Faden an die Achse hefteten.
Der Nobelpreis 1997
1997 erhielt Walker die Hälfte des Nobelpreises für Chemie, gemeinsam mit Paul D. Boyer, „für die Aufklärung des enzymatischen Mechanismus, der der Synthese von Adenosintriphosphat zugrunde liegt“. Die andere Hälfte ging an den Dänen Jens C. Skou für die Entdeckung der Natrium-Kalium-Pumpe, eines anderen Enzyms, das ATP nutzt. Die Kombination war bemerkenswert: Boyer hatte die Theorie geliefert, Walker den strukturellen Beweis. Das Nobelkomitee würdigte so das Zusammenspiel von biochemischer Intuition und präziser Strukturbestimmung.
Forschung nach dem Nobelpreis
Mit dem Preis war Walkers Arbeit keineswegs beendet. 1998 wurde er Direktor der Dunn Human Nutrition Unit des Medical Research Council in Cambridge, die später in MRC Mitochondrial Biology Unit umbenannt wurde. Unter seiner Leitung richtete sich die Einheit stärker auf die Biologie der Mitochondrien und ihre Rolle bei Krankheiten aus. Viele Erkrankungen, etwa bestimmte Muskel- und Nervenleiden, hängen mit Störungen der Mitochondrien zusammen. Walker und sein Team untersuchten weiter die vollständige ATP-Synthase einschließlich des Membranteils sowie andere Proteine der mitochondrialen Membran.
Mit neuen Methoden wie der Kryo-Elektronenmikroskopie, für die 2017 ein eigener Chemie-Nobelpreis vergeben wurde, konnten Forscher in den vergangenen Jahren immer genauere Bilder des gesamten Enzyms gewinnen. Walkers Pionierarbeit bildete dafür die Grundlage. Heute weiß man, dass die ATP-Synthase eines der ältesten und am stärksten erhaltenen Enzyme der Evolution ist: Bakterien, Pflanzen und Menschen nutzen im Kern dieselbe Konstruktion.
Ehrungen und Persönliches
Walker wurde 1995 zum Mitglied der Royal Society gewählt und 1999 für seine Verdienste um die Molekularbiologie zum Ritter geschlagen, weshalb er den Titel Sir trägt. Er ist zudem Mitglied zahlreicher wissenschaftlicher Akademien, darunter ausländisches Mitglied der National Academy of Sciences der USA. Außerdem ist er Fellow des Sidney Sussex College in Cambridge. In Interviews hat er betont, wie wichtig ihm langfristig angelegte Forschung ist, die nicht sofort Ergebnisse liefern muss. Die Aufklärung der ATP-Synthase dauerte Jahrzehnte und wäre ohne eine solche Förderung kaum möglich gewesen.
Warum Walkers Arbeit wichtig ist
Die ATP-Synthase ist eine der Grundlagen allen Lebens. Ein erwachsener Mensch setzt täglich eine Menge ATP um, die in etwa seinem eigenen Körpergewicht entspricht, wobei jedes Molekül ständig recycelt wird. Zu verstehen, wie diese Maschine funktioniert, ist nicht nur eine akademische Frage. Es hilft, Krankheiten zu begreifen, die mit Energiemangel in Zellen zusammenhängen, und es inspiriert auch die Nanotechnologie: Die ATP-Synthase gilt als Paradebeispiel für einen molekularen Motor, den die Natur über Milliarden Jahre optimiert hat.
Walkers Laufbahn zeigt zudem, wie fruchtbar die Verbindung verschiedener Methoden sein kann. Er kam aus der klassischen Chemie, lernte Sequenzierung bei Fred Sanger und nutzte schließlich die Röntgenkristallografie. Gerade diese Breite ermöglichte es ihm, ein Problem zu lösen, an dem Spezialisten einzelner Fachrichtungen allein gescheitert wären.
Zusammenfassung
Sir John E. Walker, geboren am 7. Januar 1941 in Halifax, ist ein britischer Chemiker und Molekularbiologe. Am Laboratory of Molecular Biology in Cambridge bestimmte er die Struktur der ATP-Synthase und lieferte damit den atomaren Beweis für den Drehmechanismus, mit dem Zellen ihre wichtigste Energiewährung herstellen. 1997 erhielt er dafür gemeinsam mit Paul D. Boyer eine Hälfte des Nobelpreises für Chemie. Später leitete er die MRC Mitochondrial Biology Unit und prägte die Erforschung der Mitochondrien maßgeblich.
Stand: 29.10.2026