Untersuchung von Peptiddynamik mittels zeitaufgelöster Infrarotspektroskopie
Popp, Alexander - Universität Konstanz (2015)
Proteine übernehmen vielfältige Aufgaben in Zellen und Organismen. Diese Vielfalt und Komplexität der biochemischen Vorgänge spiegelt sich wiederum in unterschiedlichsten räumlichen Strukturen wider, die Polypeptidketten annehmen können, wenn sie sich zum funktionierenden Protein falten. Dabei sind die Prozesse, welche die Faltung einer Kette aus Aminosäuren zu einem funktionsfähigen Protein steuern, von großem Interesse, denn verschiedene Formen fehlgefalteter Proteine konnten als Ursache für zahlreiche Krankheiten ausgemacht werden. Da die dreidimensionale Organisation eines Proteins aus einigen wenigen Grundstrukturelementen besteht, sind Faltungsexperimente an einzelnen Sekundärstrukturelementen besonders attraktiv.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zeitaufgelöste Faltungsstudien an Modellpeptiden durchgeführt. Dazu wurde ein neu aufgebautes Temperatursprung-Spektrometer eingesetzt. Der infrarote Laserpuls regt eine Obertonschwingung des Lösungsmittels D2O an und erzeugt einen Temperatursprung von mehreren °C innerhalb von 10 ns. Die dadurch ausgelösten strukturellen Änderungen des Peptids werden im mittleren infraroten Spektralbereich mit einem Quantenkaskadenlaser abgetastet. Diese Methode erlaubt es, schwingungsspektroskopische Experimente mit hoher Struktursensitivität bei einer zeitlichen Auflösung im ns-µs-Bereich durchzuführen.
Es wurden Varianten des β-Hairpin-Modellpeptids Trpzip2 sowie ein drei-strängiges β-Faltblatt untersucht. Ein β-Hairpin stellt die kleinste Untereinheit eines β-Faltblatts dar und besteht aus zwei antiparallelen Strängen, die durch eine Schleife (Turn) miteinander verbunden sind. Das drei-strängige Peptid DPDP besitzt einen Turn und einen β-Strang mehr, wodurch es die ausgedehnten β-Faltblattstrukturen gut nachbilden kann. Die Stabilität eines β-Hairpins bzw. β-Faltblatts wird durch verschiedene Faktoren bestimmt. Neben Wasserstoffbrückenbindungen spielen hydrophobe Effekte, aromatische Wechselwirkungen sowie strukturelle Eigenschaften einzelner Aminosäuren in der Turnregion eine große Rolle.
Zum einen wurden die hydrophoben Wechselwirkungen analysiert. Dazu wurden innerhalb der Trpzip2-Sequenz SWTWENGKWTWK-NH2 Tryptophane (W) durch Valine (V) bzw. Tyrosine (Y) ersetzt. Die Auswirkungen der Mutationen zeigen sich in einer verringerten thermischen Stabilität sowie in einer schnelleren Relaxationsdynamik. Sowohl die Wahl der Aminosäure als auch die Position der Mutation haben Einfluss auf den Faltungsmechanismus des β-Hairpins.
Zum anderen wurde die Bedeutung der Turnsequenz Asparagin-Glycin (NG), die in Trpzip2 zu finden ist, für die Peptidstabilität und -dynamik näher betrachtet. Für Trpzip2 -Varianten mit Turnresiduen Threonin-Glycin (TG) und DProlin-Glycin (pG) lassen sich ebenfalls schnellere Relaxationskinetiken im Vergleich zum Trpzip2 feststellen. Mechanismen für die Entfaltung der untersuchten β-Hairpins wurden vorgeschlagen, die mehrere Intermediatszustände auf dem Weg zum thermisch entfalteten Zustand berücksichtigen. Das drei-strängige Peptid DPDP, welches zwei Turnstrukturen mit jeweils einer DProlin-Glycin-Kombination besitzt, zeigt seinerseits sehr schnelle mono-exponentielle Relaxationsdynamiken, die bei Raumtemperatur im sub-µs-Bereich liegen.