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Domänenbewegung bei Proteinen: Scher- und Scharnierbewegungen

Der Reaktionsmechanismus von Bacteriorhodopsin

Retinal ist kovalent an den Lysin-Rest 216 des Proteins (Helix G) gebunden. Lichtabsorption verursacht die Photoisomerisierung des Retinals (all-trans- in 13-cis-Umlagerung an der C13-C14-Doppelbindung). Diese Umlagerung startet einen Prozess, in dessen Verlauf ein Proton vom Zellinneren in das extrazelluläre Medium gepumpt wird. Nach 10 bis 20 ms relaxiert das Bacteriorhodopsin wieder in den Ausgangszustand, der Cyclus ist durchlaufen. Die Zwischenzustände werden mit den Buchstaben J bis O bezeichnet und lassen sich kinetisch und durch ihre Absorptionsmaxima unterscheiden.

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Abb.1
Der cyclische Protonentransport

Im Verlauf des Cyclus wird ein Proton von der Schiff-Base zum Protonenakzeptor Asp 85 im extrazellulären Halbkanal transferiert. Etwa zeitgleich wird ein Proton in das extrazelluläre Medium abgegeben (aber nicht vom Asp85; die Carboxy-Gruppe dieser Aminosäure bleibt protoniert! Die Protonenabgabe erfolgt also von einer anderen Stelle aus. Diskutiert wird hier eine Beteiligung von Glu194, Glu204 und Arg82).

Durch die Deprotonierung verändert sich die Zugänglichkeit der Schiff-Base von der extrazellulären Seite zur cytoplasmatischen Seite hin, und es erfolgt ein Protonentransfer von Asp96 in der cytoplasmatischen Kanalseite auf die Schiff-Base.

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Abb.2

Aus dem Cytoplasma wird ein Proton aufgenommen und Asp96 reprotoniert. Retinal reisomerisiert in die all-trans-Geometrie (wobei die Zugänglichkeit der Schiff-Base wieder auf die extrazelluläre Seite wechselt). Nun wird Asp85 wieder deprotoniert und der Ausgangszustand von Protein und Chromophor ist erreicht.

Hinsichtlich der Einteilung dieser Bewegung, die zu den Fragmentbewegungen gezählt wird, herrscht im Moment noch keine Einigkeit, da es sich hier weder um eine typische Scharnier-, noch um eine typische Scherbewegung handelt. Die Strukturveränderungen finden vor allem im cytoplasmatischen Halbkanal statt und bestehen aus einer Biegung der F-Helix nach außen (um etwa 2 Å), wobei vermutlich Pro186 als eine Art Scharnier funktioniert, und einer Bewegung des cytoplasmatischen Teils von Helix G. Diese Bewegung, die beim Übergang M1 → M2 (dem so genannten switch) stattfindet, wird von einigen Autoren als eine Kanalöffnung interpretiert, bei der die für den Protonentransfer notwendigen Wasser-Moleküle in den Kanal eintreten können.

Weiterführende Informationen

Bakteriorhodopsin in der Lerneinheit "Vitamin A: Funktion im Organismus"

Literatur

Zscherp, C.; Schlesinger , R.; Tittor, J.; Oesterhelt, D.; Heberle, J. (1999): In situ determination of transient pKa changes of internal amino acids of bacteriorhodopsin by using time-resolved attenuated total reflection Fourier-transform infrared spectroscopy. In: Proc. Acad. Natl. Sci. U.S.A.. 96 , 5498-5503
Haupts, U.; Tittor, J.; Bamberg, E.; Oesterhelt, D. (1997): General concept for ion translocation by halobacterial retinal proteins: the isomerization/switch/transfer (IST) model. In: Biochemistry. 36 , 2-7
Weik, M.; Zaccai, G.; Dencher, N. A.; Oesterhelt, D.; Hauß , T. (1998): Structure and hydration of the M-state of the bacteriorhodopsin mutant D96N studied by neutron diffraction. In: J. Mol. Biol.. 275 , 625-634

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