Die Rolle von strukturellen Gleichgewichtsfluktuationen in Proteinen

  Proteindynamik Urheberrecht: Fitter  

Die im „Faltungstrichter“ (linke Bildseite) verorteten Konformationszustände eines Proteins (oben für entfaltete a-Amalyse, unten für gefaltete a-Amylase) können mit Hilfe der Quasi-elastischen Neutronenstreuung bezügliche ihrer dynamischen Eigenschaften charakterisiert werden (rechte Bildseite).

 

Biologische Makromoleküle, wie zum Beispiel Enzyme oder Transportproteine, weisen eine strukturelle Komplexität auf, die sich auch in einer extrem vielfältigen Dynamik widerspiegelt. Speziell die schnellen strukturellen Gleichgewichtsfluktuationen auf der Pikosekunden Zeitskala sind essentiell für die Überwindung von Energiebarrieren, welche durch die „Energielandschaft“ eines Biomoleküls vorgegeben ist. Diese Fluktuationen können die Kinetik von Übergängen zwischen verschiedenen Konformationszuständen (Intermediate) bestimmen. Darüber hinaus tragen die Gleichgewichtsfluktuationen auf dieser Zeitskala wesentlich zur Konformationsentropie des Biomoleküls bei. Eine der wichtigsten Methoden um diese thermischen Gleichgewichtsfluktuationen zu untersuchen, stellt die Neutronenspektroskopie dar. Sie ermöglicht Dynamikmessung im Zeitfenster von 10-14 – 10-8 Sekunden mit Bewegungsamplituden in der Größenordnung von 0.1 bis 1 Nanometer. Bisher haben wir zahlreiche wasserlösliche Proteine (a-Amylase, PGK, Myoglobin) bezüglich ihrer dynamischen Eigenschaften im gefalteten und in einigen entfalteten (Hitze, GndHCl, oder pH induzierte Entfaltung) Zuständen untersucht. Dabei war ein übergeordnetes Ziel, den Beitrag der Gleichgewichtsfluktuationen zur Konformationsentropieänderung des Übergangs zu bestimmen. Hierbei wurde nicht nur die Relevanz der Proteindynamik für die Thermodynamik von Faltungsübergängen, sondern auch die für die Protein/Liganden Bindung studiert. In weiteren Studien mit Hilfe der Neutronenspinechospektroskopie wurden Domänenbewegungen untersucht, welche direkt mit der katalytischen Aktivität von Enzymen in Verbindung stehen.

 

Publikationen

D. Niether, M. Sarter, B. König, M. Zamponi, J. Fitter, A.Stadler and S. Wiegand
Thermodiffusion as a probe of protein hydration for streptavidin and the streptavidin-biotin complex.
AIP Conference Proceedings, 1929, 020001, (2018)

A.M. Stadler, M. M. Koza, and J. Fitter
Determination of Conformational Entropy of Fully and Partially Folded Conformations of Holo- and Apomyoglobin.
J. Phys. Chem. B, 119, 72-82, (2015)

A.M. Stadler, E. Pellegrini, M. Johnson, J. Fitter, and G. Zaccai
Dynamics-Stability Relationships in Apo- and Holomyoglobin: A Combined Neutron and Molecular Dynamics Simulation Study.
Biophys. J, 102, 351-359, (2012 )

R. Inoue, R. Biehl, T. Rosenkanz, J. Fitter, M. Monkenbusch, A. Radelescu, B. Farago, D. Richter
Large domain fluctuations on 50 ns timescale enable catalytic function in phosphoglycerate kinase.
Biophys. J. 99, 2309-2317, (2010)

J. Fitter
A Measure of Conformational Entropy Change during Thermal Protein Unfolding using Neutron Spectroscopy.
Biophysical Journal, 84(6), 3924 -3930, (2003)