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Membranproteine

Aminosäure-Zusammensetzung transmembraner Helices

Die meisten transmembranen Segmente von Membranproteinen sind α-helical. Eine Ausnahme bilden z.B. die OM-Proteine (Proteine der äußeren Membran, engl. outer membrane) der Gram-negativen Bakterien, die zumeist eine β-Faltblatt-Konformation einnehmen. Experimentell lässt sich zeigen, dass α-helicale Konformationen fast automatisch entstehen, wenn ein Peptid-Segment mit einem gewissen Anteil hydrophober Reste einen stabilen Kontakt mit Lipiddoppelschichten eingeht. Neben dem Anteil an hydrophoben Resten (also Ile, Val, Leu, Ala) gibt es aber auch noch andere Kriterien für die Aminosäure-Zusammensetzung transmembraner Segmente. In vielen Fällen verhalten sich Aminosäuren in Lipidschichten vollständig anders als in globulären, wässrigen Proteinen:

  • Die verzweigten Aminosäuren Val und Ile sind nach Chou und Fasmann (1978) bevorzugt in der β-Konformation löslicher Proteine zu finden. In der Lipid-Umgebung scheinen sie sich anders zu verhalten und kommen häufig in α-Helices vor.
  • Auch die aromatischen Reste Tyr, Trp und Phe sind in globulären Proteinen typisch für β-Faltblatt-Anteile, kommen aber häufig in transmembranen α-Helices vor.
  • Der Helix-Brecher Glycin ist in transmembranen Helices relativ häufig. Das überrascht eigentlich. Glycin ist eine sehr flexible Aminosäure und kann fast alle dihedralen Winkel im Ramachandran-Plot einnehmen. In globulären und wasserlöslichen Proteinen führt diese Eigenschaft jedoch häufig dazu, dass Helices unterbrochen werden. Wahrscheinlich ist die Flexibilität von Glycin in Lipiddoppelschichten durch die Lipide so stark eingeschränkt, dass Glycin hier die helicalen Strukturen weniger stört. Als Aminosäure mit sehr kleiner Seitenkette sorgt Glycin dafür, dass Helix-Segmente eine sehr dichte Packung einnehmen können.
  • Auch der Helix-Brecher Prolin kommt häufig in transmembranen Helices vor. Prolin hat eine sehr starre Imid-Seitenkette. Daraus resultiert, dass Prolin die Konformation von α-Helix- und β-Faltblatt-Anteilen globulärer Proteine gleichermaßen stört und kaum im Zentrum (höchstens mal in den Schleifenbereich) dieser Sekundärstrukturen zu finden ist. Das häufige Vorkommen von Prolin in transmembranen Helices mag daher rühren, dass Prolin in dieser Umgebung die Helix vor einem Verlust der helicalen Struktur bei höherer Temperatur schützt (Lyu et al., 1990).
  • Ebenfalls häufig kommen hydrophile und geladene Aminosäuren in transmembranen Helices vor, was mit dem Lipidcharakter der Umgebung zunächst nicht vereinbar scheint. Hydrophile und polare Reste sind aber oft wichtige Determinanten für die korrekte Tertiärstuktur der Membranproteine. Sie sind z.B. involviert in Transportprozesse (bei Transportproteinen) oder essentiell zur Ausbildung der wassergefüllten Poren (z.B. bei Porinen u.a. Kanalproteinen). Die Stabilität der transmembranen Helix ist so hoch, dass selbst das Einbringen einiger weniger hydrophiler oder geladener Aminosäuren in die Membran toleriert werden kann.

Literatur

Chou, P. Y.; Fasman, G. D. (1978): Empirical predictions of protein conformation.. In: Annu. Rev. Biochem.. 47 , 251-276
Lyu, P. C.; Liff, M. I.; Marky, L. A.; Kallenbach, N. R. (1990): Side chain contributions to the stability of α-helical struture in peptides. In: Science. 250 , 669-673

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