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Makromolekülstruktur / Forschungsschwerpunkt


Die Analyse von Proteinstrukturen und Proteindynamik mittels ortsspezifischer Spinmarkierung und EPR-Spektroskopie

Proteinen bei der Arbeit zuschauen

Die interdisziplinären Arbeiten von Physikern und Biologen in der Arbeitsgruppe "Makromolekülstruktur" befassen sich mit der Bestimmung der Struktur und Dynamik biologisch oder medizinisch relevanter Makromoleküle und deren Komplexe mit dem Ziel, die Funktion auf atomarer Ebene zu verstehen. Dazu werden physikalische Methoden im Bereich der Elektronenspinresonanz (ESR) Spektroskopie in Verbindung mit ortsspezifischer Spinmarkierung weiterentwickelt und eingesetzt. Folgende Fragestellungen werden bearbeitet:

  • Lichtsensitive Proteine:
    • Der Signaltransfermechanismus des Sensory-Rhodopsin-Transducer-Komplexes
    • Der lichtinduzierte Elektronentransfermechanismus im bakteriellen, photosynthetischen Reaktionszentrum
  • Medizinisch relevante Proteine:
    • Mechanismen des transmembranen Transports: ABC-Transporter, Na/Prolin-Transporter
  • Proteinfaltungsmechanismen:
    • Colcin A und seine Wechselwirkung mit der Zellmembran
  • Konformationsdynamik von DNA und RNA

Die Puls-Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie ortspezifisch spinmarkierter Proteine ist ein neuer Ansatz zur Analyse von Proteinstrukturen und Konformationsänderungen. Insbesondere wenn die hochauflösenden Verfahren Röntgenstrukturanalyse und 2D-NMR-Spektroskopie nicht anwendbar sind, lassen sich mittels ortspezifischer Spinmarkierungen Strukturdaten gewinnen, Strukturmodelle aus Cryo-Elektronenmikroskopie-Experimenten verfeinern oder Änderungen bekannter Strukturen zeitlich analysieren (siehe Publikationen).

Zur Methode

Ortspezifische Spinmarkierung


Nach ortspezifischem Austausch natürlicher Aminosäuren durch Cysteine mittels gentechnischer Methoden wird ein sulfhydrylspezifischer Methanthiosulfonat-Spinlabel an das/die reaktiven Cysteine gebunden. Informationen über die Struktur und ihre Änderungen während der Funktion des Proteins gewinnt man dann aus der Dynamik der Spinlabelseitenkette, aus der Zugänglichkeit für hydrophobe oder hydrophile paramagnetischen Quencher, und aus dem Abstand zwischen dem Spinlabel und einem weiteren gebundenen Nitroxid. Diese Eigenschaften des Spinlabels werden mit Hilfe der Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie erfasst.
Interspin-Abstandsbestimmung

 

Abstandsmessungen zwischen zwei ortsspezifisch gebundenen Spinlabeln können mit modernen Puls-EPR-Methoden (DEER, PELDOR) durchgeführt werden. Es gelingt damit, Stukturen von Proteinen auf der Ebene der Seitenkettenorientierungen aufzuklären und Strukturänderung während der Proteinfunktion (nach Anregung durch Laserlicht oder Stopped-flow) mit einer Zeitauflösung < 1ms zu erfassen.

Seitenkettendynamik

Die Seitenkettendynamik und damit das EPR- Spektrum ortsspezifisch gebundener Spinlabel zeigt eine eindeutige Beziehung zur Sekundär- und Tertiärstruktur in der Umgebung der Bindungsstelle. Das Spektrum ist dabei bestimmt durch die mikroskopischen Reorientierungsbewegungen der Spinlabelseitenkette, der Korrelationszeit der Bewegung und ihre Anisotropie, in der die wesentliche Information über die Bindungsstellenstruktur enthalten ist.

Molekulardynamik-Simulationen

 

Eine Trennung der drei Einflüsse ist durch Experimente und Simulationen bei unterschiedlichen Lamorfrequenzen möglich (W-, K-, X- und S-Band). Molekulardynamik-Simulationen der gebundenen Spinlabel in verschiedenen Proteinmodellstrukturen bilden dabei die Grundlage zu ESR- Spektrensimulationen.



 

Letzte Änderung: 22.11.2017 HJS