05.03.10 Dank Markergruppen lassen sich schnelle Bewegungen in Proteinen messen
Tanz der Proteine
Protein-Bewegungen mit Nanosekunden-Auflösung vermessen
Forscher im Department Chemie der Technischen Universität München (TUM) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie lokale Bewegungen in Proteinen im Zeitbereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden beobachten können. Als sie damit Bewegungen des Proteins Villin untersuchten, fanden sie zwei sonst kaum voneinander unterscheidbare Strukturen: In der einen können schnelle Strukturänderungen stattfinden, die für die Proteinfunktion essentiell sind und im Zeitbereich von Nanosekunden ablaufen, die andere ist starr.
Abb. 1: An verschiedenen Stellen eingebaute Marker ermöglichen es, die schnellen Bewegungen des Proteins zu vermessen
Quelle: Thomas Kiefhaber, TU München
Eines der fünf wichtigsten Proteine in der Zelle ist das Aktin. Seine Filamente halten die Zelle zusammen und die wichtigsten Bausteine an ihrem Platz. Das Protein Villin vernetzt die langen Aktin-Fasern und trägt so erheblich zur Stabilisierung der Zellstrukturen bei. Der Teil des Villin Proteins, der für die Bindung an Aktinfilamente verantwortlich ist, HP35, war aufgrund seiner geringen Größe in den letzten Jahren Gegenstand einer großen Zahl von Computersimulationen zum Verständnis der Proteindynamik. Doch experimentelle Untersuchungen fehlten, da diese Protein-Bewegungen im Zeitbereich von Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden ablaufen, einem Zeitbereich, der bisher experimentell kaum zugänglich war.
Mit einer in der Arbeitsgruppe von Professor Thomas Kiefhaber entwickelten Methode, die auf schnellem Elektronentransfer zwischen verschiedenen Teilen eines Proteins beruht, konnten solche schnellen strukturellen Änderungen nun erstmals direkt untersucht werden. Als Modellsystem wählten sie den Aktin bindenen Teil des Villin-Proteins, HP35. An verschiedenen Stellen bauten die Arbeitsgruppe um Prof. Kiefhaber kurz nacheinander Xanthon und Naphthylalanin als Markierungsgruppen in die Aminosäurekette ein. Durch Laserbestrahlung wird Xanthon angeregt. Kommen die beiden Marker bei einer Konformationsänderung nahe zusammen, so wird die optische Anregung von einem Marker zum andern übertragen (schneller Triplet-Triplet Energietransfer, TTET). Damit konnte zum ersten Mal der Wechsel zwischen verschiedenen Proteinkonformationen in diesem Zeitbereich experimentell untersucht werden. Die Methode erlaubt ortsspezifische Messungen der Dynamik mit einer zeitlichen Auflösung von unter einer Nanosekunde.
Abb. 2: Die Methode beruht auf Triplett-Triplett Energietransfer
(TTET) zwischen einem Triplett Donor (Xanthon) und einem Triplett Akzeptor (Naphthylalanin),
die an spezifischen Stellen im Protein eingeführt werden und bei van-der-Waals
Kontakt einen Elektronenaustausch (TTET) durchführen können. Im nativ gefalteten
Zustand des Proteins kann kein TTET zwischen den Markern stattfinden. Erst auf
Grund interner Proteinbewegungen können sich die Marker treffen. Aus der
Geschwindigkeit des Treffens kann auf die Geschwindigkeit der Proteinbewegungen
geschlossen werden.
Quelle: Thomas Kiefhaber, TU München
Die neuen experimentellen Arbeiten vom Team um Thomas Kiefhaber zeigen nun, dass das gefaltete Protein in zwei Konformationen vorliegt, die sich strukturell nur wenig unterscheiden, aber sehr unterschiedliche dynamische Eigenschaften besitzen. In einer starren Konformation können keine größeren Strukturänderung stattfinden, während in der flexiblen Konformationen Teile des Proteins, die für die Aktinbindung verantwortlich sind, im Zeitbereich von 100 Nanosekunden falten und entfalten.
Die beiden Konformationen stehen im Gleichgewicht und werden im Zeitbereich von einer Mikrosekunde ineinander umgewandelt. Die strukturelle Ähnlichkeit der beiden Konformationen erklärt, warum sie bisher weder in strukturellen Untersuchungen noch in Computersimulationen entdeckt wurden. Durch den Einsatz von zeitaufgelösten Elektronentransfermessungen können die verschiedenen Zustände jedoch auf Grund ihrer unterschiedlichen Beweglichkeit unterschieden und charakterisiert werden.
Die Erkenntnisse dieser Studie sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Funktion von Proteinen und tragen zur Aufklärung der Mechanismen der Faltung und Fehlfaltung von Proteinen bei. Die Forscher hoffen nun, dass sie diese Methode weiterentwickeln können, um sie an größeren Proteinen anzuwenden, die für die Regulation von Zellfunktionen wichtig sind..
Quelle:
An unlocking/relocking barrier in conformational fluctuations of villin headpiece subdomain
A. Reiner, et. al., PNAS 2010, DOI:
10.1073/pnas.0910001107
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Dank Markergruppen lassen sich schnelle
Bewegungen in Proteinen messen
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/mae/proteinbewegung.shtm)
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