Fachbereich 12 - Chemie und Pharmazie
Institut für Physikalische Chemie
Prof. Dr. H.-J. Hinz

Stabilisierung und Aktivierung von Proteinen
(Spektroskopische und thermodynamische Charakterisierung)

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 DG°, DH°, DS°, und Dcp 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 (Differentialwärmekapazitäts-mikrokalorimetrie, potentiometrische Titrationen, Differentialdensitometrie, Titrations-mikrokalorimetrie) angewandt.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

H. Betting, M. Häckel, M. Stockhausen, F. Schwarz, J.A. Eble, B. Beermann, A. Schmidt-Hederich, N. Hoffmann, A.A. Amara, Q. Qi, B.H.A. Rehm, I. Yiallouros, R. Kappelhoff, O. Schilling, F. Wegmann, M.W. Helms, A. Auge, G. Brachtendorf, E.S. Berghoff, S. König, J. Peter-Katalinic, W. Stöcker

Veröffentlichungen:

H. Betting, M. Häckel, H.-J. Hinz, M.Stockhausen: Spectroscopic evidence for the preferential hydration of Rnase A in glycerol-water mixtures: Dielectric relaxation studies, PCCP (2001), 3, 1688-1692

H.-J. Hinz, F. Schwarz: Measurement and Analysis of Results obtained on biological substances with differential scanning calorimetry, Pure Appl. Chem. (2001), 73, 745-759

J.A. Eble, B. Beermann, H.-J. Hinz, A.Schmidt-Hederich: (2(1 Integrin is not recognized by Rhodocytin but is the specific, high affinity target of Rhodocetin, an RGD-independent Disintegrin and Potent inhibitor of cell adhesion to Collagen, Journal of Biological Chemistry (2001), 276, 12274-12284

N. Hoffmann, A.A. Amara, Br.B. Beermann, Q. Qi, H.-J. Hinz, B.H.A. Rehm: Biochemical Characterization of the Pseudomonas putida 3-Hydroxyacyl ACP:CoA Transacylase, which diverts intermediates of fatty acid de Novo Biosynthesis, Journal of Biological Chemistry (2002), 277, 42926-42936

I. Yiallouros, R. Kappelhoff, O. Schilling, F. Wegmann, M.W. Helms, A. Auge, G. Brachtendorf, E.S. Berghoff, B. Beermann, H.-J. Hinz, S. König, J. Peter-Katalinic, W. Stöcker: Activation mechanism of pro-astacin: role of the propeptide, tryptic and autocatalytic cleavage and importance of precise aminoterminal processing, JMB (2002), 324, 237-246