Gleichgewichtsmechanik und Flutuation von Superhelices

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Proteine gehören zu den Grundbausteinen der Zelle, sie verleihen ihr Stabilität und agieren als Nanomaschinen, die an allen zellulären Prozessen beteiligt sind. Sie bestehen aus einer linearen Aneinanderreihung von Aminosäuren, wobei 20 verschiedene Aminosäuren mit jeweils spezifischen, physikalischen Eigenschaften Verwendung finden. Ihre Funktion können Proteine nur in ihrer korrekt gefalteten, dreidimensionalen Tertiär- bzw. Quartärstruktur ausüben. Bei einer Vielzahl von Proteinen findet diese Faltung spontan und ohne weitere Hilfsproteine in physiologischer Umgebung statt. Die sich ergebende Struktur des Proteins hängt dann nur von der sequentiellen Anordnung der Aminosäuren innerhalb der Kette ab. Der Faltungsprozess ist äußerst komplex und eine Vorhersage der gefalteten Struktur allein aus der Sequenz der Aminosäurekette ist nur in Spezialfällen oder durch vergleichende Methoden möglich.

Eine häufig in Proteinen vorkommende Struktur ist die Superhelix (oder „coiled coil“), die sich durch ihren sehr einfachen Aufbau auszeichnet. Superhelices bestehen aus mindestens zwei α-Helices, die sich gegenseitig umwinden. Trotz dieser einfachen Struktur sind die intra- und intermolekularen Wechselwirkungen der einzelnen α-Helices sehr vielschichtig. Dies macht die Superhelix zu einem viel erforschten Modellsystem, von welchem ausgehend versucht wird, allgemeine Fragen zur Proteinfaltung zu klären.

Superhelices sind wegen ihrer speziellen mechanischen Eigenschaften häufig auch an Orten zu finden, die der Wirkung von Kräften ausgesetzt sind. Beispiele hierfür sind die Gruppe der Intermediärfilamente, die unter anderem Bestandteil des Zytoskeletts sind oder als Keratin in Haar, Horn und Federn vorkommen, sowie das Fibrinogen das bei der Blutgerinnung eine Rolle spielt. Auch können Superhelices bei ihrer Faltung aktiv Kraft ausüben. Physiologisch relevant ist dies beispielsweise bei der Membranfusion wie sie bei Viren (HIV-gp41 Komplex) oder Transport Vesikeln (SNARE-Komplex) vorkommt. Als weiteres Beispiel sind noch molekulare Motoren zu nennen, die bei allen zellulären Prozessen, die Bewegung erfordern eine wichtige Rolle spielen. Molekulare Motoren treten häufig als Oligomere auf, wobei die Oligomerisation meist durch Superhelices erreicht wird. Diese sind lateralen Kräften ausgesetzt, wenn sich der Motor fortbewegt.

In dieser Arbeit wird die mechanische Methode der Kraftmikroskopie (AFM) angewandt, um dimere Superhelices schrittweise aufzutrennen. Dabei lassen sich durch eine lateral wirkende Kraft, die an einem Ende eines einzelnen, superhelikalen Moleküls angreift, beide α-Helices voneinander trennen. Es wird gezeigt, dass das Auflösungsvermögen der Methode ausreichend ist, um die Effekte einzelner Aminosäuresubstitutionen zu detektieren. Da experimentell bei der Superhelixfaltung sowohl das thermodynamische Gleichgewichts- als auch das Nichtgleichgewichtsregime zugänglich ist, konnte erstmals die Anwendbarkeit des Fluktuationstheorems von Crooks auf Messungen mit dem Kraftmikroskop (AFM) nachgewiesen werden. Außerdem werden die mechanischen Eigenschaften verschiedener Superhelices untersucht, die in molekularen Motoren vorkommen.