Theory of phase transitions in polypeptides and proteins [Elektronische Ressource] / von Alexander V. Yakubovich

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• Publié par: goethe_universitat_frankfurt_am_main
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 17
• Langue: Deutsch
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Extrait

Theory of phase transitions in
polypeptides and proteins
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
der Johann Wolfgang Goethe{Universit at
in Frankfurt am Main
von
Alexander V. Yakubovich
aus St. Petersburg, Russland
Frankfurt am Main 2010
(D30)vom Fachbereich Physik der
JohannWolfgangGoethe{Universit at, FrankfurtamMain, als
Dissertation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. Dirk. H. Rischke
Gutachter: Prof. Dr. Dr. h.c. mult Walter Greiner,hter: Prof. Dr. Andrey Solov’yov
Datum der Disputation: 29.09.2010for NotesKurzfassung
Es ist unm¨oglich, alle biologischen Prozesse aufzuz¨ahlen, in die Proteine involviert
sind, da Proteine praktisch in jedem biologischen Prozess eines lebenden Systems
beteiligt sind. Sie werden als lineare Ketten von mehreren Hunderten von Amino-
aurens¨ (sogenannte Polypeptidketten) in einer bestimmten Reihenfolge an Ribo-
somen synthetisiert. Um funktionsf¨ahig zu sein, mussen diese Ketten in einem fur¨
jedes Protein charakteristischen dreidimensionalen Muster gefaltet sein, das meist
native Struktur genannt wird. In der vorliegenden Arbeit wird das Problem der
Proteinfaltung aus der Sicht des Gleichgewichts der Thermodynamik betrachtet.
¨Die Dissertation beginnt mit einem kurzen Uberblick ub¨ er die theoretischen
Methoden der Quantenmechanik und Dichtefunktionaltheorie. Aufgrund von quan-
tenmechanischen Berechnungen kann man Modellans¨atze fur¨ die Beschreibung von
großenSystemenentwickeln,dienichtaufder ab initioEbenederTheoriebehandelt
werden k¨onnen. Die Methoden der Quantenmechanik werden in der vorliegenden
Dissertation zur Beschreibung von konformativen Eigenschaften der kleinen Frag-
mentevonProteinen,ausAlaninundGlyzinbestehendenPolypeptiden,angewandt.
Ein weiterer Schritt in der Arbeit war die Entwicklung eines Formalismus zur
¨Beschreibung des Spirale↔Spule-Ubergangs im Polypeptid. Der helikale Zustand
des Systems hat im Vergleich zu dem Spule-Zustand eine h¨ohere Energie durch
die Gegenwart von Wasserstoffbruc¨ kenbindungen im System, aber eine niedrigeren
Entropieaufgrunddereingeschr¨anktenkonformativenFreiheitdesPolypeptids. Mit
Zunahme der Temperatur wird der Spiral-Zustand durch einen Phasenub¨ ergang in
¨den Spule-Zustand umgewandelt. Man kann diesen Ubergang mit den Methoden
der statistischen Mechanik beschreiben. Zur Beschreibung der thermodynamischen
Eigenschaften des Systems, muss man die Zustandssumme konstruieren.
Die Zustandssumme des Systems erlaubt die Energie und W¨armekapazit¨at des
Systems bei verschiedenen Temperaturen zu ermitteln. Diese Aufgabe wurde in der
Dissertation ebenfalls durchgefuhrt.¨ Die Ergebnisse des statistisch-mechanischen
Modells wurden mit den Ergebnissen der molekularen dynamischen Simulationen
¨von Alanin-Polypeptiden von unterschiedlicher L¨ange verglichen. Die gute Ubere-vi Kurzfassung
instimmung der Ergebnisse des theoretischen Modells mit den Ergebnissen der Mo-
lekulardynamik-Simulationen erlaubt die Validierung der Annahmen ub¨ er das Sys-
tem, die w¨ahrend der Entwicklung der Zustandssumme gemacht wurden und die
Genauigkeit und Anwendbarkeit der Theorie festzustellen.
Die letzte Aufgabe der Arbeit war die Erweiterung des Statistischen Mechanik-
¨Formalismus zur Beschreibung des Spirale↔Spule-Ubergangs in Polypeptiden im
Vakuum auf Proteine. Der entwickelte Formalismus zur Beschreibung der Statistis-
¨chenMechanikdesFaltung↔Entfaltung-UbergangesvonProteineninWasserwurde
auf zwei globulare Proteine angewandt. Die Ergebnisse des statistischen Mechanik-
Modells wurden auch mit den Ergebnissen der kalorimetrischen Untersuchungen
dieser Proteine durchgefuhrt.¨ Vor allem wurden die Abh¨angigkeiten der W¨armeka-
pazit¨atvonderTemperaturunterverschiedenenpH-WertendesL¨osungsmittelsver-
glichen.
ZusammenfassendstelltdievorliegendeDissertationeineinterdisziplin¨areUnter-
suchung dar, die mit der Studie der grundlegenden Freiheitsgrade in Polypeptidket-
¨tenbeginnt,diefur¨ konformativeUberg¨angeverantwortlichsind,danndiesesWissen
¨fur¨ die Beschreibung der Statistischen Mechanik von Spiral↔Spule-Uberg¨angen in
Polypeptiden anwendet und schließlich den theoretische Formalismus fur¨ den Fall
von Proteinen in Wasserumgebung verallgemeinert, sowie den Vergleich der Ergeb-
nisse des statistischen Mechanik-Modells mit den experimentellen Messungen der
Abh¨angigkeitenderW¨armekapazit¨atvonderTemperaturfur¨ zweiglobulareProteine
durchfuhrt.¨ Der vorgestellte Formalismus basiert auf grundlegenden physikalischen
Eigenschaften des Systems und bietet die M¨oglichkeit, die Faltung ↔Entfaltung-
¨Uberg¨ange quantitativ zu beschreiben. Die Kombination dieser beiden Tatsachen
ist die große Neuerung des vorgestellten Ansatzes im Vergleich zu den bestehenden
Vorgehensweisen.Zusammenfassung
LebendeOrganismenfuhren¨ injederPhaseihresLebensverschiedeneArtenvonbiol-
ogischen Funktionen durch, z.B. DNS-Replikation, Proteinsynthese, Proteinregula-
tion, Wachstumsprozesse, Entwicklungsprozesse, Differenzierungsprozesse, Atmung,
Verdauung, Stoffwechsel, Stofftransport, Sehen und Bewegung. Es ist unm¨oglich,
alle biologische Prozesse aufzuz¨ahlen, bei denen Proteine involviert sind, da dies
praktisch bei jedem biologischen Prozess der Fall ist. Sie werden als lineare Ketten
von mehreren Hunderten von Aminos¨auren (sogenannte Polypeptidketten) in einer
bestimmten Reihenfolge an Ribosome synthetisiert. Um funktionsf¨ahig zu sein,
mussen diese Ketten in einem fur¨ einzelne Proteine einzigartigen dreidimensionalen
Muster gefaltet sein, das meist native Struktur genannt wird. [1].
Das menschliche Genom kodiert ub¨ er als 100,000 verschiedenen Proteinen, die
bestimmte Aufgaben ausfuhren¨ und in mehr als tausend grundlegend unterschiedli-
chen strukturellen Architekturen eingestuft werden k¨onnen [2]. Eine neu gebildete
PolypeptidkettemussinderLagesein,schnelldenWegzuseinernativenStrukturzu
finden. Die Entdeckung, wie dies geschieht, ist eine der gr¨oßten Herausforderungen
indermodernenStrukturbiologie[1]. DieseDissertationbieteteinenneuenEinblick
in das alte Problem der Proteinfaltung aus der Sicht der statistischen Mechanik.
Unter den gegebenen Bedingungen entspricht meistens der native Zustand eines
Proteins der Struktur mit der niedrigsten freien Energie. Es gibt ein Paar Aus-
nahmen zu dieser Regel, jedoch treten diese nur auf, wenn w¨ahrend der Faltung
kinetisch metastabile Zust¨ande eines Proteins eingenommen werden. [3]. Die offen-
sichtliche Frage ist, wie es einem Protein gelingt, in angemessenen Zeit den ener-
getischniedrigstenZustandzufinden. DiesmusseinbemerkenswerterVorgangsein,
da die Anzahl der m¨oglichen Konformationen einer Polypeptidenkette astronomisch
groß ist. Zum Beispiel hat eine Polypeptidkette mit 100 Aminos¨auren (ein kleines
30Protein) fast 10 verschiedene Konformationen, auch wenn wir davon ausgehen,
dass jede Aminos¨aure nur zwei unterschiedliche Konformationen haben kann. Auch
−11wenn nur 10 s genug w¨aren, um eine Konformation in die andere umzuwan-
deln (die charakteristisch kurzeste¨ Zeit der atomaren Bewegung laut den Gesetzenviii Zusammenfassung
12der Physik), wurde¨ die Suche nach der energetisch gunstigsten¨ Konformation 10
Jahren dauern. Dies ist eine sehr konservative Absch¨atzung, doch die meisten Pro-
teinefalteninnerhalbvoneinigenSekundenzudemnativenZustand. Diescheinbare
Unvereinbarkeit zwischen diesen Tatsachen ist als Levinthal Paradox bekannt und
die Suche nach einer L¨osung fur¨ dieses Problem ist seit mehr als 30 Jahren ohne
endgultiges¨ Ergebnis geblieben [4].
Viele Vorschl¨age wurden vorgelegt, um den Mechanismus der Proteinfaltung zu
erkl¨aren [5–8]. Aktuelle experimentelle Studien haben nachgewiesen, dass w¨ahrend
des Faltungsprozesses die Proteine nur eine begrenzte Anzahl von Zwischenkonfor-
¨mationen erreichen (fur¨ einen Uberblick siehe z.B. [9]), was eine Erkl¨arung fur¨ das
Levinthal Paradox w¨are.
IndervorliegendenArbeitwirddasProblemderProteinfaltungausderSichtdes
Gleichgewichts der Thermodynamik betrachtet. Die geometrische Anordnung einer
ProteinkonformationinL¨osungbeigew¨ohnlicherTemperaturistrelativkompliziert,
da sie keine geometrische Symmetrie besitzt, jedoch einen geordneten Zustand im
Sinne der biologischen Aktivit¨at bietet. Der Konformationszustand eines Proteins
kann durch zunehmende Temperatur oder durch Zusatz von geeigneten chemischen
Mitteln zerst¨ort werden, was an dem Verlust der biologischen Aktivit¨at und der
Ver¨anderung der physikalischen Eigenschaften zu sehen ist. Sobald die komplizierte
Struktur mit biologischer Aktivit¨at zerst¨ort ist, w¨are anzunehmen, dass die native kaum wieder hergestellt werden kann. Dennoch erkannten Pionierforscher
¨Anson und Mirsky schon im Jahr 1925, dass dies nicht immer der Fall ist. Uberzeu-
gende Versuche wurden von Anfinsen [10,11] fur¨ Ribonuclease und unabh¨angig von
Isemura [12] fur¨ Takaamylase um 1960 durchgefuhrt.¨ Nach die