Aufgabe 6 (Quartärstruktur) - staff.uni

Aufgabe 6 (Quartärstruktur)
Fragestellung
Folgende Fragestellungen sollen beim Hämocyanin-Hexamer von Limulus
polyphemus (1lla_Hexamer.pdb) untersucht werden:
- Welche Symmetrien sind erkennbar?
- Wenn sie eine Symmetrie vermuten, wie können sie am Bildschirm einigermaßen
überzeugend zeigen, dass diese Molekülsymmetrie wirklich vorhanden ist?
- Welche Kräfte wirken zwischen Untereinheiten?
Ergebnisse
Hämocyanin besteht aus sechs Untereinheiten
Abb.6.1: Hämocyanin-Hexamer
Kette A, B, C, D, E und F in jeweils
unterschiedlichen Farben.
Vergleich der beiden Trimere
Abb.6.2: Hämocyanin-Trimere
Kette A (gelb), B (orange), C (rot), D (grün), E (blau), F(violett)
Man sieht dass sich die Trimere einander entsprechen (identisch sind).
Symmetrie eines Trimers
Abb.6.3: Rotationssymmetrie der Hämocyanin-Trimere
Kette B und C in rot, Kette A in grün.
Dreht man diesen Trimer um 120° um die z-Achse so erscheint es so,
als ob die grün eingefärbte Untereinheit im Uhrzeigersinn herumspringt während
es bei den roten Untereinheiten so aussieht, als würden sie sich nicht bewegen.
Das bedeutet, dass die beiden Trimere des Hämocyanins-Hexamers rotationssymmetrisch sind.
„Kopf an Kopf“ - Zusammenlagerung der Trimere
Abb.6.4: Zusammenlagerung der Trimere
Kette A, B und C in hellblau, Kette D, E und F in dunkelblau,
in allen drei Ketten wurden dieselben AS in magenta angefärbt.
Man erkennt, dass sich die Trimere mit den sich jeweils
entsprechenden Seiten zu einem Hexamer zusammenlagern.
Rotate x 180
Abb.6.5: Zusammenlagerung der Trimere
jeweils AS 1-100 in magenta, restliche AS blau.
Dreht man das Hexamer in dieser Einstellung und 180° um die x-Achse verändert sich das Bild nicht.
Die Ober und Unterseite des Hexamers sehen identisch aus.
Stabilisierung der Quartärstruktur: Disulfidbrücken?
Abb.6.6: Disulfidbrücken in Hämocyanin-Struktur
Untereinheiten jeweils in einer anderen Farbe, Disulfidbrücken in spacefill, Rest in wireframe.
Man sieht dass es zwischen den Untereinheiten zu keiner Ausbildung von SS-Brücken kommt.
Nur 2 Disulfidbrücken pro Untereinheit stabilisieren die Tertiärstruktur.
Stabilisierung der Quartärstruktur: H-Brücken?
Abb. 6.7: H-Brücken im Bereich der interfaces
Kette A in blau, Kette B in cyan, H-Brücken in rot.
Innerhalb der Untereinheiten befinden sich viele H-Brücken,
zwischen den Untereinheiten dagegen nur sehr wenige.
Stabilisierung der Quartärstuktur: ionische WW?
Abb. 6.8: ionische WW im Bereich der interfaces
Kette A in blau Kette B in cyan, polare Aminosäuren in gelb, Geladene in rot.
In Bereich der Schnittstelle zwischen den beiden Untereinheiten befinden sich viele
geladene Aminosäuren.
Stabilisierung der Quartärstruktur: Salzbrücken?
Abb. 6.9: Salzbrücken im Bereich der interfaces
Asp in blau, Glu in cyan, His in gelb, Lys in rot, Arg in violett.
Man erkennt Salzbrücken zwischen Aspartat und Arginin
Auswertung / Disskussion
Hämocyanine sind große kupferhaltige Proteine, die in der Hämolymphe vieler
Arthropoden, Sauerstoff von den respiratorischen Epithelien zu den inneren Organen
transportieren. Die Hämocyanine der Arthropoden bilden stets Hexamere oder
Oligohexamere aus ähnlichen oder identischen Untereinheiten.
Symmetrien:
Die vorliegende Struktur (1LLA-Hexamer) des Hämocyanins von Limulus
polyphemus ist aus 6 Ketten zusammengesetzt, die jeweils globuläre Struktur
aufweisen (Abb.6,1). Das Hexamer lässt sich in zwei Trimere zerlegen die einander
entsprechen (Abb.6,2). Die Trimere weisen eine dreizählige Rotationssymetrie auf
(nach drei Drehungen um 120° ist der Ausgangszustand wieder hergestellt) mit einer
Rotationsachse die beim Öffnen der Datei 1lLLA-Hexamer.pdb der z-Achse
entspircht. Wie wir wissen gibt es bei Proteinen keine Inversions- oder
Spiegelsymmetrien (sonst müssten L-AS zu D-AS werden). Somit haben die Trimere
um eine sogenannte C3-Symetrie (cyklisch 3 zählige Achse).
Die Trimere mit C3-Symetrie sind nun
„Kopf an Kopf“ und um 60° verdreht
aufeinander gesetzt (Abb.6,39) womit
nun das ganze Molekül eine D3
Symetrie hat.
(Abb. aus Voet, 2002)
In der Natur kommt das Limulus-Hämocyanin
allerdings nicht als Hexamer sonder als
Oligohexamer
vor.
Dieses
ist
dann
zusammengestzt aus 8 Hexameren, und
besteht
somit
aus
48
Untereinheiten
(Abb.6,10). Die Symmetrien dieser höheren
Ordnung wurden nicht untersucht.
Abb.6.10:Quartärstruktur von Limulus-Hämocyanin
(nach Markl und Decker, 1992)
Stabilisierung der Quartärstruktur:
Die Quartärstruktur des 1LLA-Hexamers wird nicht durch Disulfidbrücken stabilisiert,
sie kommen nur innnerhalb der Untereinheiten vor. Dies ist typisch für extrazelluläre
Proteine wie das Hämocyanin. Bei der weiteren Suche nach stabilisierenden Kräften
haben wir die H-Brücken zwischen den Untereinheiten betrachtet. Auch hier haben
wir festgestellt, dass diese Art der Wechselwirkung nicht ausschlaggebend für die
Erhaltung der Quartärstruktur sein kann, denn es konnte nur eine H-Brücke zwischen
den Untereinheiten der Trimere nachgewiesen werden.
Des weiteren haben wir die Möglichkeit, dass die Quartärstruktur durch ionische
Wechselwirkungen wie Salzbrücken maßgeblich stabilisiert wird, untersucht. Dazu
wurden alle geladenen AS der beiden untersuchten Untereinheiten angefärbt. Dabei
stellte sich heraus, dass sich zwischen den beiden Untereinheiten vermehrt geladene
AS befinden(Abb.6,8). Zwei solcher Salzbrücken sind in Abb.6,9 dargestellt
Aus diesen beiden Beobachtungen lässt sich ableiten, dass die maßgebliche
Stabilisierung durch unspezifische ionische Wechselwirkungen der Untereinheiten an
der Schnittstelle zustande kommt (Abb.6,8). Ionische WW verlieren an Kraft mit dem
Faktor 1/r was im Vergleich zu anderen WW recht langsam ist (Dipol-Dipol-WW fällt
mit 1/r3 ab). Ein weiterer wichtiger Beitrag stammt sicherlich auch von den beiden
Salzbrücken.
Stabilisierung durch hydrophobe WW kann man ausschließen, da im Bereich der
Schnittstelle vermehrt geladene und eben keine hydrophoben AS auftreten (Abb.6,8).
Vorteile von Quartärstruktur:
Bei Proteinen lässt sich oft eine Quartärstruktur aus mehreren Untereinheiten mit
jeweils einem aktiven Zentrum beobachten. Vorteile gegenüber einem großen
Protein mit vielen aktiven Zentren sind:
• Wenn ein solches, großes Protein beschädigt wird muss es ganz abgebaut
werden, bei zusammengesetzten Proteinen reicht es wenn die beschädigte
Untereinheit ausgetauscht wird. Æ Verschwendung von GTP bei Neusynthese
wird verhindert (Bausatzprinzip ist effektiver als Verlängerung der
Polypeptidkette).
• Zu große Proteine können nicht mehr auf Faltungshelfer wie z.B. das Chaperonin
GroEL/ES zurückgreifen da sie hierfür zu groß sind. Æ Probleme bei der Faltung
werden umgangen.
Ein weiterer Trend der sich erkennen lässt ist, dass Proteine aus vielen identischen
(1LLA-Hexamer) oder ähnlichen Untereinheiten zusammengesetzt werden. Gründe
hierfür sind unter anderem.:
• Die Natur muss nicht viele verschiedene Untereinheiten erfinden sondern kann
bewährte Konzepte wiederverwenden. Æ Sparen von Ideen.
• Es müssen nicht viele verschiedene Untereinheiten auf der DNA kodiert werden
Æ Sparen von DNA und RNA, Sparen von Energie für RNA-Synthese.
• Es müssen nicht viele verschiedene Gene reguliert werden. Æ Probleme der
Regulation werden umgangen.
• Durch Bindung von Effektoren an Symetrieachsen können mehrere Untereinheiten
auf einmal beieinflusst werden Æ schnellere und effektivere Regulation durch
Effektoren.
• Effekte der Kooperativität funktionieren nur bei zusammengesetzten Proteinen.
Vorteile für die Ausbildung einer Quartärstruktur speziell bei Hämocyanin:
• Hämocyanin ist ein extrazelluläres Protein, das frei in der Hamolymphe flottiert.
Um einen übermässigen passiven Wassereinstrom von Aussen in den Körper und
von den Körperzellen in die Hämolymphe zu verhindern, muss der osmotische
Wert der Hämolymphe niedrig gehalten werden. Der osmotische Wert ist nur
abhängig von der Teilchenzahl in der Flüssigkeit und kann durch
Zusammenlagerung der Untereinheiten zu einem (bei Limulus) 48-mer drastisch
gesenkt werden.
Bildnachweise:
Abb. 6.10 von: http://www.staff.uni-mainz.de/lieb/f1/f1_2005_draft.pdf