Strukturdynamik eines photoschaltbaren beta-Hairpin Modellpeptids

In lebenden Organismen spielen Proteine eine wichtige Rolle bei
Stoffwechselvorgängen. Für ihre Funktion ist die dreidimensionale
Anordnung der Aminosäurekette von entscheidender Bedeutung. Um die
frühen Faltungsprozesse von bestimmten Sekundärstrukturelementen zu
analysieren, ist die Verwendung von Modellpeptiden nötig, da hier
die Bildung solcher Strukturelemente getrennt beobachtet werden
kann. Der Einbau eines optischen Schalters wie Azobenzol in
Modellpeptide ermöglicht durch dessen lichtgetriebene cis/trans
Isomerisierung eine Auslösung der Faltungsprozesse auf ultrakurzer
Zeitskala (< 10 ps). Ein wesentliches Merkmal der Kombination
dieses Photoschalters mit der in dieser Arbeit verwendeten Methode
der UV-Anreg-Infrarot-Abtast-Spektroskopie ist die Möglichkeit,
Zwischenzustände, sogenannte Intermediate, zeitlich einordnen und
mittels ihrer Infrarotspektren Aussagen über ihre Struktur treffen
zu können. Als Modell für das Sekundärstrukturelement des
beta-Faltblatts dient eine beta-Hairpin Struktur. Diese Struktur
besteht aus zwei anti-parallelen Aminosäuresträngen, welche durch
Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Eine Kehre aus vier
Aminosäuren schließt die Stränge auf einer Seite ab. Als
photoschaltbares beta-Hairpin Modellpeptid wurde im Rahmen dieser
Arbeit das AzoTrpZip2 mit der Sequenz
H-Ser-Trp-Thr-Trp-Glu-AMPP-Lys-Trp-Thr-Trp-Lys-NH2 eingesetzt,
wobei AMPP eine auf Azobenzol basierende pseudo-Aminosäure
bezeichnet. Das Peptid AzoTrpZip2 bildet als cis-Isomer zu 45 % im
Lösungsmittel Methanol-d4 eine beta-Hairpin Struktur aus. Das
cis-Isomer des AMPPs ersetzt dabei zwei Aminos¨auren der Kehre. Das
Ensemble an trans-Isomeren des AzoTrpZip2 hingegen besitzt eine
deutlich weniger definierte Struktur. Ausgelöst durch die
Isomerisierung des Schalters AMPP beginnt die Entfaltung der
beta-Hairpin Struktur des AzoTrpZip2 mit einem reißverschlussartig
sich fortsetzenden Bruch der schalternahen
Wasserstoffbrückenbindungen und der Bildung eines desolvatisierten
Zustandes mit einer Zeitkonstante von 4,1 ps. Mit 26 ps entsteht
ein weiteres Intermediat, das mit einer Zeitkonstante von 630 ps in
einer Klappbewegung mit den Strangmitten als Scharnier in einen
Zustand übergeht, der dem Endzustand des trans- Ensemble ähnlich
ist. Die Entfaltung ist nach 3 ns also weitgehend abgeschlossen.
Auch bei der Faltungsreaktion erfolgt die Isomerisierung des
Photoschalters auf der Pikosekundenzeitskala. Somit ist die
zentrale Kehre der beta-Hairpin Struktur bereits innerhalb weniger
Pikosekunden ausgebildet. Ähnlich wie bei der Entfaltung wird mit
einer Zeitkonstante von 4,8 ps ein desolvatisierter Zustand
erreicht, der mit einer Zeitkonstante von 64 ps in ein
Faltungsintermediat übergeht. Daraus wird mit der
Faltungszeitkonstante von 30 µs die beta-Hairpin Struktur gebildet.
Die in der Literatur kontrovers diskutierte Frage nach dem
geschwindigkeitsbestimmenden Schritt konnte für dieses Modellpeptid
geklärt werden: Es ist die korrekte Anordnung der
Wasserstoffverbrückung der Stränge und nicht die Ausbildung der
Schleife.