Grundlagen zur Dynamik der Proteine:

Schnelle optische Methode gibt Einblicke in Proteinfaltung

An verschiedenen Stellen eingebaute Marker-Moleküle geben Aufschluss über die lokale Dynamik der Proteinfaltung.

27.01.2009, Pressemitteilungen

Forscher der Technischen Universität München haben eine Methode entwickelt, um im Nanosekundenbereich ablaufende Änderungen der räumlichen Struktur von Proteinen zu beobachten. Diese Messungen tragen zum Verständnis der grundlegenden Prozesse der Proteinfaltung bei und eröffnen Einblicke, wie Eiweiße ihre räumliche Struktur finden und ändern. Wichtig ist dieses Verständnis auch für die Aufklärung von Krankheiten wie Alzheimer, Creutzfeldt-Jacob oder Parkinson, bei denen falsch gefaltete Proteine als Auslöser gelten. Die Forschungsresultate wurden jetzt in Online-Ausgabe der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Ein Eiweiß oder Protein besteht aus einer Kette von Aminosäuren, die im Prozess der Proteinfaltung eine ganz bestimmte räumliche Struktur einnehmen muss, um ihre biologische Funktion zu erfüllen. Fehler bei der Faltung können zur Anhäufung inaktiver Proteine in der Zelle führen, wodurch Krankheiten wie Alzheimer, die Creutzfeldt-Jakob Krankheit oder die Parkinsonsche Krankheit entstehen können. Die ursprüngliche Struktur eines Proteins ist flexibel und wechselt zwischen verschiedenen Konformation en hin und her. Da solche Konformationsübergänge für die Proteinfunktion oft unerlässlich sind, ist die Dynamik der Molekülbewegungen von Aminosäureketten von grundlegender Bedeutung für die Faltung und Funktion von Proteinen.

Grundlegenden Konformationsänderungen in Proteinen finden innerhalb von Nanosekunden bis Mikrosekunden statt, aber dieser Zeitbereich war bisher experimentell kaum zugänglich. Professor Thomas Kiefhaber und sein Team haben nun eine Methode entwickelt, die Messungen die Molekülbewegungen mit einer zeitlichen Auflösung von unter einer Nanosekunde ermöglicht. An verschiedenen Stellen bauten sie kurz nacheinander zwei unterschiedliche Markierungsmoleküle in die Aminosäurekette ein. Durch Laserbestrahlung wird eines der Markermoleküle angeregt. Kommen die beiden Marker bei einer Konformationsänderung nahe zusammen, so wird die optische Anregung von einem Marker zum andern übertragen. 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.

Als Modellsystem wählten sie die α-Helix, das einfachste und häufigste Proteinstrukturelement. Aufgrund der hohen Komplexität und Geschwindigkeit der Faltungsreaktionen war selbst dieses einfache System bis heute nicht genau verstanden. Die im Fachmagazin PNAS publizierten Ergebnisse geben nun tiefere Einblicke in die Dynamik von α-Helices. Die Untersuchungen zeigen, dass sich eine Helix nicht als Ganzes faltet oder entfaltet, sondern in vielen verschiedenen Zuständen vorliegt, die schnell ineinander übergehen. Solche lokalen Konformationsänderungen sind ortsabhängig und finden im Zeitbereich von 250 Nano- bis 1,5 Mikrosekunden statt, wobei die Dynamik an den Helix-Enden schneller ist als in der Mitte. Mittels theoretischer Modelle konnten diese Ergebnisse im Detail verstanden werden.

Originalbeitrag:

Beat Fierz, Andreas Reiner, and Thomas Kiefhaber: Local conformational dynamics in α-helices measured by fast triplet transfer
PNAS, published online before print January 8, 2009 | doi: 10.1073/pnas.0808581106

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