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Membranproteine

Energetische Aspekte integraler Membranproteine

Warum sind α-Helices in Membranen energetisch begünstigt? Für Aminosäuren in einem Medium mit geringer Dielektrizität wie dem Inneren einer Lipiddoppelschicht stabilisiert jede Wasserstoff-Brücke das Polypeptid um 25 kJmol-1 . Bei dem 23 Aminosäuren langen Segment im Glycophorin A sind das 18 H-Brücken und damit maximal ca. 420 kJmol-1 . Schon allein daraus ergibt sich, dass α-helicale Strukturen in Lipiddoppelschichten sehr stabil sein müssen. Im Gegensatz dazu ist die Bildung einer α-Helix in wässriger Lösung energetisch nur wenig begünstigt, da hier die Wasser-Moleküle mit den NH- und CO-Brücken der Peptidkette um die Wasserstoff-Brücken konkurrieren. Eine Möglichkeit um festzustellen, ob ein Proteinsegment eher eine Membranumgebung oder ein wässeriges Milieu vorzieht, ist die Änderung der freien Energie, wenn dieses Segment aus einer Membran in Wasser überführt wird (Engelmann et al., 1986). Die geschätzten freien Energien der einzelnen Aminosäurereste sind in der Tabelle aufgeführt. Je negativer der Wert ist, desto mehr ist der Transfer eines Segmentes aus diesen Aminosäuren in Wasser begünstigt. Umgekehrt is z.B. der Transfer einer poly-Phe-Helix in wässerige Umgebung mit 15,5 kJmol-1 pro Phenylalanin-Rest energetisch äußerst ungünstig.

Das Zweistufen-Faltungsmodell für transmembrane α-Helices

Wie bilden sich diese helicalen Strukturen? Werden Proteine als Helices synthetisiert oder erst später in diese Konformation überführt? Membranproteine werden schon während ihrer Synthese im Cytoplasma an Chaperone gebunden, um eine vorzeitige Faltung zu verhindern. Das Zweistufen-Faltungsmodell postuliert folgenden Ablauf des weiteren Geschehens:

Das transmembrane Segment wird in die Lipiddoppelschicht inseriert. Damit einher geht der Übergang in die α-helicale Konformation. Wenn ein hydrophobes Segment mit einer wasserarmen Umgebung wie dem Inneren einer Lipiddoppelschicht in Kontakt kommt, wird dieses Segment bevorzugt in die Membran inserieren, um die exponierte hydrophobe Oberfläche zu verkleinern. Andererseits verursacht das Einbringen eines polaren Peptidanteils in eine Membran erhebliche energetische Kosten. Das Polypeptid muss daher eine Konformation einnehmen, die die Anzahl der internen Wasserstoff-Brücken maximiert, da mit der Membranumgebung keine Wasserstoff-Brücken ausgebildet werden können. Hat ein Protein bzw. ein Multimer mehrere α-helicale Domänen, kommt es zur Assoziation dieser α-Helices.

Tab.1
Die freie Energie der Aminosäurereste
Aminosäure-Rest Phe Met Ile Leu Val Cys Trp Ala Thr Gly Ser Pro Tyr His Gln Asn Glu Lys Asp
Freie Energie des Transfers (in kJmol-1 ) 15,5 14,2 13 11,7 10,9 8,4 8 6,7 5 4,2 2,5 -0,8 -2,9 -12,6 -17,2 -20,1 -34,3 -36,8 -51,5

Literatur

Engelmann, D. M.; Steitz, T. A.; Goldman, A. (1986): Identifying nonpolar transbilayer helices in amino acid sequences of membrane proteins.. In: Ann. Rev. Biophys. Chem. 15 , 321-353

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