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Domänenbewegung bei Proteinen: Scher- und Scharnierbewegungen

Die D-Maltodextrin-Bindungsproteine

Die D-Maltodextrin-Bindungsproteine gehören zur großen Familie der periplasmatischen Bindungsproteine Gram-negativer Bakterien. Diese Proteine binden mit hoher Affinität Substrate wie Zucker, Salze oder Aminosäuren im Periplasma, dem Raum zwischen innerer und äußerer Membran. Sie interagieren dann mit entsprechenden Aufnahmekomplexen der inneren Bakterienmembran (ABC-Transporter), die das Substrat ins Cytoplasma transportieren. Andere typische Beispiele sind u.a. das Arabinose-Bindungsprotein (ABP), das Sulfat-Bindungsprotein (SBP), das Phosphat-Bindungsprotein (PBP) oder das Leu/Ile/Val-Bindungsprotein (LIVBP).

Alle periplasmatischen Bindungsproteine sind Monomere, die aus zwei Domänen aufgebaut sind. Jede dieser Domänen besteht aus einer zentralen β-Faltblattstruktur, die zu beiden Seiten von zwei bis drei parallelen α-Helices flankiert wird. Zwischen den mehr oder weniger starren Domänen liegt eine flexible Region, die wie eine Art Scharnier (engl. "hinge") wirkt. Periplasmatische Bindungsproteine kommen in zwei Konformationen vor: in einer offenen Konformation, in der die beiden Domänen voneinander getrennt sind, und in einer geschlossenen Konformation, bei der das Substrat tief im Interdomänenspalt über Wasserstoff-Brücken und Van-der-Waals-Kräfte gebunden ist. Erst diese Konformationsänderung ermöglicht dem beladenen Substratbindungsprotein die Interaktion mit dem membranständigen Aufnahmekomplex, der für die Aufnahme des Substratmoleküls in die Bakterienzelle verantwortlich ist.

Das Maltodextrin-Bindungsprotein ist ein 40,6 kDa Protein aus 370 Aminosäuren. Die N-terminale Domäne (in Silber) umfasst die Aminosäuren (AS) 1-109 und 264-309, die C-terminale Domäne (in Blau) AS 114-258 und 316-370. Das Scharnier (in Gelb) besteht aus drei Segmenten: AS 110-113, AS 259-263 und AS 310-315. Segment 1 und 2 bilden eine kurze, faltblattähnliche Struktur am Boden des Spaltes, während das dritte Segment eine kurze Schleifenregion an den Seitenrändern des Spaltes bildet.

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Abb.1

Ein periplasmatisches Maltodextrin-Bindungsprotein (PDB-Code: 1OMP) ohne Substrat (offene Konformation). Die Scharnierregion ist in Gelb dargestellt.

Was passiert bei der Bindung des Substrates?

Das in der Spalte zwischen den beiden Domänen gebundene Substrat ist mehr oder weniger vollständig von der wässrigen Umgebung abgeschirmt. Zwischen den Zucker-Hydroxy-Gruppen und den sechs geladenen Seitenketten, der Trp-Seitenkette, dem Hauptketten-Amid und fünf Wasser-Molekülen werden Wasserstoff-Brücken gebildet. Dazu kommen die Van-der-Waals-Interaktionen, zu denen auch die Stapelbildung der aromatischen Ringe gehört.

Der Zucker bindet zuerst über Wasserstoff-Brücken an den Aminosäurerest der Glutaminsäure 111 (E111). Diese Interaktion bewirkt, dass sich die Seitenkette von E111 im Spalt nach oben bewegt und so möglicherweise die Domänenbewegung im "Scharnier" des Moleküls einleitet. Diese Scharnierbewegung ist eine erhebliche Beugung (engl. "hinge bending motion") des Moleküls, die mit einer lateralen Bewegung (engl. "twisting motion") einhergeht. Die Konformationsänderung betrifft hauptsächlich die Aminosäuren E111 und Valin 261, deren Position sich um etwa 35° relativ zueinander ändert. Dazu kommt noch eine Drehbewegung der N-terminalen Domäne relativ zum C-Terminus um 8° gegen den Uhrzeigersinn. Eine Animation der Bewegung ist unter folgender Adresse zu finden: http://molmovdb.mbb.yale.edu/MolMovDB/.

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Abb.2

Das Maltodextrin-Bindungsprotein (PDB-Code: 1DMB) mit gebundenem Substrat (β-Cyclodextrin, in Rot), Die Aminosäureseitenketten der Glutaminsäure 111 und von Valin 261 sind als Kalottenmodelle in Gelb dargestellt.

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