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Proteinbewegungen

Biologische Bedeutung

In der Vergangenheit wurden Proteine zumeist als starre Moleküle betrachtet, besonders seit dem Zeitpunkt, als die ersten hoch auflösenden Röntgenstrukturdaten bekannt wurden. Die dichte Packung der Atome legte nahe, dass Proteine mehr oder weniger unbewegliche Strukturen sind. Diese Annahme galt natürlich auch für Enzyme - so wurden Enzyme und ihr zugehöriges Substrat wie ein aus zwei Teilen bestehendes Puzzle betrachtet. Selbst in den wenigen Fällen, in denen eine Konformationsänderung beobachtet wurde (z.B. bei der allosterischen Regulation von Hämoglobin), galten diese Veränderungen als abrupte Übergänge zwischen zwei grundsätzlich aber starren Strukturen.

Globuläre Proteine sind in der Tat im allgemeinen dicht gepackte Strukturen, die aber trotzdem flexibel sind und ihre Form zu einem gewissen Grad ändern können. In den vergangenen Jahren hat sich mehr und mehr gezeigt, welche Implikationen die Vorstellung von dynamischen Proteinen für biologische Prozesse hat. Wichtige Vorgänge, an denen Proteinbewegungen maßgeblich beteiligt sind, sind beispielsweise:

  • Der Zugang des Substrats zur Substratbindestelle. Bei der Bindung von Sauerstoff oder auch Kohlenmonoxid (CO) an die Häm-Gruppe im Myoglobin oder Hämoglobin spielen periodisch aufretende packing defects, also quasi temporäre Lücken im dicht gepackten Protein eine wichtige Rolle, da erst aufgrund dieser atomaren Bewegungen die Sauerstoff-Bindungsstelle für den Sauerstoff zugänglich wird (Animation der Myoglobin-Bewegung, Database of Macromolecular Movements).
Abb.1
Myoglobin: Bewegung von CO durch das Molekül

Abbildung mit freundlicher Genehmigung entnommen aus: Ostermann et al., 2000.

  • Die Interaktion von flexiblen Liganden mit Bindungsstellen in Proteinen erfordert häufig eine erhebliche Konformationsänderung von sowohl Ligand (z.B. Arzneimittel, Hormon oder Enzymsubstrat) als auch Protein.
  • Elektronentransferprozesse können wesentlich davon abhängen, wie Fluktuationen im Molekül den Abstand zwischen Elektronen-Donor und -Akzeptor beeinflussen.
  • Und nicht zuletzt ist die Bewegung einer Strukturdomäne im Protein absolut essenziell für die Aktivität von z.B. Myosin oder Antikörpern.

Literatur

Ostermann, A.; Waschipky, R.; Parak, F. G.; Nienhaus, G. U. (2000): Ligand binding and conformational motions in myoglobin. In: Nature. 404 , 205-208

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