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Domänenbewegung bei Proteinen: Scher- und Scharnierbewegungen

Was ist Proteindynamik?

Wie alle Moleküle haben auch Proteine keine starren Strukturen sondern sind innerhalb gewisser Grenzen dynamische Gebilde. Durch ihren mehrstufigen Aufbau (Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur) erreichen Proteine jedoch eine besondere Vielfalt an flexiblen Konformationen. Die Proteindynamik untersucht die Bewegungen und Konformationsänderungen von Proteinen, die in vielen Fällen einen entscheidenden Einfluss auf die biologische Wirksamkeit ausüben. Neben der spontanen Moleküldynamik (thermische Bewegungen bzw. kinetische Energie der Atome: Brown'sche Molekularbewegung) wird die jeweilige Konformation von Proteinen durch die Reaktionsbedingungen, z.B. Temperatur, Druck, Konzentrationen von Ausgangs- und Endprodukten, Lösungsmitteln bzw. Cofaktoren, elektromagnetische Felder, aus einer Menge von Konformeren mit ähnlicher Stabilität bestimmt. Die Bewegungen von Proteinen lassen sich ganz grob in drei Kategorien einteilen:

  1. atomare Fluktuationen,
  2. kollektive Bewegungen und
  3. getriggerte Konformationsänderungen.

Ein zweites Einteilungssystem untersucht, welche Region eines Proteins Konformationsänderungen unterliegt: Unterschieden werden die Dynamik der Kernregion (Protein-core), des Protein-Rückgrats oder der Proteindomänen von der Bewegung der Untereinheiten, Seitenketten oder Fragmente.

Ein drittes Klassifikationssystem berücksichtigt ausschließlich die Zeitintervalle der Proteindynamik: hier werden lange andauernde (Mikrosekunden bis Sekunden) und kurze Bewegungen (Subnanosekunden) unterschieden.

Tab.1
Übersichtstabelle
ZeitintervallAmplitude (in Ångström)Beschreibung
kurz: Femto- bis Piko-Sekunden (1015 bis 1012 s)0,001-0,1Streckung und Verbiegen von Bindungen, Einschränkung der freien Drehbarkeit der Torsionswinkel
mittel: Piko- bis Nano-Sekunden (1012 bis 109 s)0,1-10ungehinderte Seitenkettenbewegung an der Oberfläche des Proteins, Bewegung von Seitenschleifen und Gesamtbewegung ("collective motion")
lang: Nano- bis Mikro-Sekunden (109 bis 106 s)1-100Faltung in kleinen Peptiden, Helix-Knäuel-Übergang
sehr lang: Mikro-Sekunden bis Sekunden (106 bis 1 s)10-100Proteinfaltung

Zur Methodik der Proteindynamik

Die Struktureigenschaften von Proteinen sowie deren Dynamik werden vor allem durch Protein-Kristallographie und NMR-Spektroskopie ermittelt. Kristallographische Methoden liefern hierbei einen zeitlich gemittelten Schnappschuss der Proteinstruktur, indem das Molekül wie eingefroren wirkt. Dagegen bietet die NMR-Spektroskopie ein eher dynamisches Abbild, das auch die Fluktuationen kleinerer Domänen und Seitenketten auflösen kann. Eine weitere moderne Methode sind Moleküldynamik-(MD)-Simulationen, die die Koordinaten jedes Atoms des Molekülverbands in Intervallen im Pico-/Nano-Sekundenbereich beschreiben. Das Hauptproblem ist hier jedoch der für die Simulationen gewählte Zeitbereich: sind die Intervalle zu lang, erhält man ein ruckelndes Bild ohne sanfte Übergänge - wählt man jedoch zu kleine Intervalle, dann können wichtige Molekülbewegungen übersehen werden.

Ein Beispiel: das Calcium-bindende Protein Calmodulin

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Abb.1
A. Calmodulin (pdb-Code: 1CLL)
Vorlage von Cheng Yang and Krzysztof Kuczera, University of Kansas, Department of Chemistry .
Abb.2
B. Ca-freies Calmodulin (pdb-Code: 1CFD)
Vorlage von Cheng Yang and Krzysztof Kuczera, University of Kansas, Department of Chemistry .

Moleküldynamik-Simulation (Animation eines MolScript Cartoons) von gelöstem Calmodulin. Legende: N-terminale Domäne: rot; Zentralhelix: gelb; C-terminale Domäne: grün; Calcium-Ionen: hellblaue Kugeln.A. basierend auf der Kristallstruktur des mit Calcium befrachteten Calmodulin: 20 Bilder im Intervall von 200 ps. B. basierend auf der Kristallstruktur des Calcium-freien Calmodulin: 20 Bilder im Intervall von 200 ps.

Die Animationen zeigen thermische Strukturfluktuationen innerhalb des Calcium-beladenen (PDB-Code: 1CLL) bzw. innerhalb von Calcium-freiem Calmodulin (PDB-Code: 1CFD). Die Etappen der Bewegungen sind sozusagen Schnappschüsse aus kontinuierlichen Moleküldynamik-Simulationen der gelösten Proteine. Der Hauptbewegungsanteil ist eine relative Translationen und Rotationen der N- und C-terminalen Domänen des Calmodulins. Im beladenen Zustand zeigen die Simulationen am Calcium-beladenen Protein eine Verbiegung der Helix, wie sie auch von NMR- und Fluoreszenz-Studien bekannt ist. Im unbeladenen Zustand sticht keine bestimmte Konformationsänderung heraus - die Simulation ist durch verschiedene Veränderungen der Abstände und Ausrichtung der Domänen gekennzeichnet. In beiden Zuständen kommt es auch zu einem im Nanosekundenbereich ablaufenden Tumbling (Taumelbewegung), das in den Simulationen der Übersicht halber herausgefiltert wurde.

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