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Membranproteine

Transmembrane Helix/Helix-Assoziation

Transmembrane α-Helices sind im Allgemeinen äußerst stabil. Aus der Energiebilanz der Interaktion von Helix und Lipidschicht ergibt sich, dass auch die Helix-Helix-Interaktion und damit die Bildung multimerer Strukturen begünstigt ist. Welche Faktoren fördern also die Helix-Helix-Interaktion in einer Lipiddoppelschicht? Die gesamte Energie der Helixassoziation innerhalb der Membran (δ Gnet) ergibt sich aus:

  • dem Enthalpiebeitrag der Helix-Helix-Interaktion selbst, der Interaktion der Lipid-Moleküle untereinander und der Lipid-Helix-Wechselwirkung. Im Gegensatz zur Kontaktfläche zwischen Lipid und α-Helix können zwei α-Helices eine optimal dichte Packung einnehmen, wobei die Van-der-Waals-Kontakte zwischen den Helices maximiert sind.
  • dem Entropiebeitrag aus dem Rearrangement der Lipid-Moleküle. Die Insertion einer α-Helix in die Membran verursacht eine lokale Störung, die die Translations- und Konformationsfreiheitsgrade benachbarter Lipid-Moleküle einschränkt. Eine Assoziation von Helices bedeutet also, dass weniger Lipid-Moleküle der Membran in ihrer Bewegung beschränkt werden.

Dieses wird von Jähnig (1983) auch als lipophobischer Effekt bezeichnet.

Unspezifische versus spezifische Interaktion

Die Assoziation von Helices in einer Membran kann aber nicht ganz zufällig geschehen, denn dann müsste jede Interaktion von α-Helices zu einem großen, lipidfreien Aggregat innerhalb der Membran führen. Wie lagern sich diese Helices nun zusammen? Handelt es sich dabei um unspezifische Effekte oder ist die Interaktion spezifisch, d.h. interagiert eine Aminosäure mit genau einer spezifischen Aminosäure der Partnerhelix?

Diese Frage lässt sich mit Mutationsanalysen untersuchen. Während das Verhalten der einzelnen Helices in der Membran nur schwer einer Analyse zugänglich ist, gibt die Analyse der Auswirkung von Aminosäure-Austauschen auf die Aktivität der Proteine einen guten Anhaltspunkt. Folgende Vorhersagen können aus der Theorie gemacht werden:

  • Bei wenig spezifisch interagierenden Helices sollte ein Aminosäure-Austausch keine oder nur wenig Auswirkungen haben.
  • Nach einem Aminosäure-Austausch in spezifisch interagierende Helices sollte die Aktivität eines Proteins eher reduziert sein.

Entsprechende Experimente zeigten, dass beide Arten von Interaktionen bei Membranproteinen vorkommen. Beim Bacteriorhodopsin scheint es sich eher um eine unspezifische Interaktion der Helices zu handeln: Mit wenigen Ausnahmen haben einzelne Mutationen keinen Effekt auf die Aktivität des Proteins (Hackett et al., 1987). Allerdings nimmt man auch für diese Proteine an, dass z.B. die Bindung eines Liganden an transmembrane Helices eine spezifische Helix-Helix-Interaktion begünstigt.

Anders ist es bei Glycophorin A, das selbst unter denaturierenden Bedingungen (in SDS) noch extrem stabile Dimere bildet. Hier handelt es sich um eine hochspezifische Assoziation der Helices. Eine ganze Reihe von Aminosäuren können nicht ausgetauscht werden, ohne die Fähigkeit zur Dimerisierung zu beeinträchtigen. Für die extrem stabile Assoziation ist das Motiv

Leu-Ile-x-x-Gly-Val-x-x-Gly-Val-x-x-Thr

verantwortlich, das an der Kontaktstelle der Helices lokalisiert ist (x ist eine beliebige Aminosäure). Wird dieses Motiv in hydrophobe Sequenzen, die normalerweise keine Dimere in SDS bilden, inseriert, erhalten diese die Fähigkeit zur stabilen Assoziation (Lemmon et al., 1994).

Literatur

Hackett, N. R.; Stern, L. J.; Chao, B. H.; Kronis, K. A.; Khorana, H. G. (1987): Structure-function studies on bacteriorhodopsin. V. Effects of amino acid substitutions in the putative helix F.. In: J Biol Chem . 262 , 9277-9284
Jähnig, F. (1983): Thermodynamics and kinetics of protein incorporation into membranes.. In: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 80 , 3691-3695
Lemmon, M. A.; Treutlein, H. R.; Adams, P. D.; Brunger, A. T.; Engelman, D. M. (1994): A dimerization motiv for transmembrane α-helices.. In: Nature Struc. Biol.. 1 , 157-163

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