Thermodynamik der Proteinstabilisierung

Bei der Adaptation von Proteinen an verschiedene Biotope (psychro-, meso-, thermo-, halophil) wird die gesamte Palette der intermolekularen Wechselwirkungen eingesetzt. Charakteristisch für Proteine ist das hohe Maß an Enthalpie- Entropie Kompensation im wäßrigen System. Daraus resultiert eine erstaunlich geringe freie Standardenthalpie der Stabilisierung von etwa 50 ± 30 kJ/Mol, die praktisch unabhängig von der Molmasse der Makromoleküle im Bereich von 5.000 - 100.000 g/Mol ist. Diese Labilität der Proteine bedingt, daß einzelne Aminosäureaustausche einen signifikanten Einfluß auf die Gesamtstabilität ausüben können. Die systematische Untersuchung der stabilisierenden und destabilisierenden Wirkung von Punktmutationen oder Oligopeptidaustauschen soll zum Verständnis der molekularen Mechanismen der Proteinstabilisierung führen und gleichzeitig eine Grundlage für technologisch interessantes rationales "protein design" schaffen. Bei der Diskussion von "Proteinstabilität" muß man klar zwischen "kinetischer Stabilität" und "thermynamischer Stabilität" unterscheiden. Auch unter biotechnologischen Aspekten ist nicht unbedingt die freie Enthalpiedifferenz zwischen nativem und denaturiertem Protein das entscheidende Haltbarkeitskriterium sondern die Höhe der freien Aktivierungsenthalpie, die nicht bei RT aber bei niedrigen Lagerungstemperaturen die Denaturierung verhindert. Dementsprechend konzentrieren sich unsere Untersuchungen auf zwei Bereiche, auf die Bestimmung der charakteristischen thermodynamischen Gleichgewichtsparameter ΔG°, ΔH°, ΔS°, und Δcp und auf die Ermittlung der Aktivierungsgrößen aus kinetischen Messungen. Die Systeme, an denen gearbeitet wird, umfassen kovalent vernetzte kleine und große Proteine Tendamistat, PDI, t-Plasminogenaktivator, Annexine, nicht vernetzte Proteine wie ROP, h-sterol carrier protein 2 und Metalloproteine wie Azurin. Zur quantitativen Charakterisierung lokaler Strukturperturbationen werden definierte Aminosäureaustausche vorgenommen, so daß der Einfluß von "cavity mutations", Insertionen und Deletionen auf die konformationelle Gesamtstabilität bestimmt werden kann. Zur Ermittlung der relevanten Stabilitätsparameter werden spektroskopische Methoden (CD, UV-Vis, Fluoreszenz) und thermodynamische Verfahren (Differentialwärmekapazitätsmikrokalorimetrie, poten-tiometrische Titrationen, Differentialdensitometrie, Titrationsmikrokalorimetrie) angewandt.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. Claudia Jatzke, Dr. Udo Seedorf, Prof. Dr. Gerd Assmann, Dipl.-Biol. Jörg Rösgen, Prof. Dr. Hans-Jürgen Hinz

Veröffentlichungen:

C. Jatzke, H.-J. Hinz*, U. Seedorf, G. Assmann: Stability and binding properties of wild-type and c17s mutated human sterol carrier protein 2. BBA (1999), 1432, 265-274

J. Rösgen, H.-J. Hinz: Response functions of proteins, Biophysical Chemistry (2000), 83, 61-71