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Circulardichroismus und Proteinstruktur

Bestimmung von Proteinsekundärstrukturen durch Circulardichroismus (CD)-Spektropolarimetrie

CD-Spektren von Proteinen können dazu verwendet werden, den Anteil bestimmter Sekundärstrukturelemente im Protein zu bestimmen, da sich der Dichroismus von "random coil"-Strukturen, α-Helix-, β-Faltblattbereichen unterscheidet.

Bei Proteinen oder Peptiden, in denen meist mehrere Sekundärstrukturen nebeneinander vorkommen, überlagern sich die einzelnen CD-Effekte. Idealerweise sollte ein CD-Spektrum eine lineare Kombination von Spektren reiner Sekundärstrukturen sein, die entsprechendend ihres Anteils an der Proteinkonformation gewichtet werden. Dazu sind eine ganze Reihe rechnerischer Methoden etabliert, die sich vor allem in den verwendeten Basisspektren unterscheiden. In der Praxis zeigte sich nämlich, dass die synthetischen Homo-Polypeptide, die für diese Basisspektren eingesetzt werden, nur sehr eingeschränkte Aussagen erlauben. Insbesondere die Spektren von α-Helices hängen sehr stark von der Länge der Helix ab und für β-Faltblattstrukturen existieren keine geeigneten Homo-Polypeptide. Neuere Methoden basieren auf der Verwendung eines Satzes von nativen Vergleichsproteinen, deren Sekundärstrukturen bekannt sind.

Maxima und Minima des CD-Spektrums von Peptidbindung und Sekundärstrukturelementen im kurzwelligen UV-Bereich

  • Amid-Bindung: charakterisiert durch einen relativ schwachen, aber breiten n → p*-Übergang bei 220 nm und einen intensiven p → p*-Übergang bei 190 nm.
  • Random coil: ein Signal ist positiv bei 212 nm (p → p*-Übergang), ein Signal ist negativ bei 195 nm (n → p*-Übergang).
  • β-Faltblatt: der n → p* -Übergang ist negativ bei 217 nm, der p → p*-Übergang ist positiv zwischen 195 und 197 nm. Bei 180 nm tritt ein weiteres negatives Signal auf. Paralleles und antiparalleles Faltblatt haben leicht unterschiedliche Maxima. Im Gegensatz zu α-helicalen Proteinen sind die Spektren von β-Faltblatt-Proteinen viel variabler und hängen von der Art der Seitenketten, dem Lösungsmittel und anderen Umgebungsfaktoren ab. Dieses ist u.a. darin begründet, dass β-Faltblattstrukturen parallel, antiparallel oder gemischt, inter- oder intramolekular und auch in verschiedener Art und Weise verdrillt sein können.
  • α-Helix: Im Prinzip ähnlich wie das Faltblatt, aber hier kommt es zur Excitonen-Kopplung und damit zur Aufspaltung des p → p*-Übergangs in den senkrecht polarisierten Übergang bei 192 nm und den parallel polarisierten Übergang bei 209 nm. Zudem senkt die Excitonen-Kopplung die Energie des n → p*-Übergangs, so dass eine Rotverschiebung hin zu 222 nm erfolgt.
Abb.1
Schematisches Spektrum eines α-helicalen Proteins

Erläuterung: Rot: gemessenes CD-Spektrum; blau: Dekonvolution des Spektrums in die relativen Anteile der einzelnen Beiträge: A: senkrecht polarisierter π → π*-Übergang; B: parallel polarisierter π → π*-Übergang; C: n → π*-Übergang

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