Mechanische Anisotropie von Proteinen in ...

12 2. Mechanische Strukturbestimmung an einzelnen Proteinmolekülen
Abbildung 2.1: a) Aufgreifen eines Proteins an zwei Aminosäuren i und j. b) Durch Einwirkung
einer mechanischen Zugkraft wird das Protein entfaltet und die Aminosäurenkette zwischen i
und j ausgestreckt. Bei exakter Kenntnis von i, j kann aus dem nötigen Weg ∆L ij , um die
Kette auszustrecken, der intramolekulare Abstand d ij der beiden Aminosäuren in der gefalteten
Struktur des Proteins bestimmt werden.
Aminosäuren im gefalteten Zustand des Proteins wieder:
d ij = (j − i) · d aa − ∆L ij (2.1)
Der nötige Weg, um eine entfaltete Aminosäurenkette auszustrecken, entspricht dem Längenzuwachs
∆L ij , der nach einem Bruchereignis in Einzelmolekülkraftkurven an Proteinen
beobachtet wird. Dieser Längenzuwachs kann mit Subnanometer-Genauigkeit gemessen
werden [25][90].
2.2 Messung von Längenzuwächsen
Entfaltete Proteine, d.h random coil Aminosäureketten, verhalten sich mechanisch wie
einfache Polymere. Zum Ausdehnen einer entfalteten Aminosäurenkette benötigt man eine
Kraft (vgl. Abb. 2.2). Die Kraft-Ausdehnungsantwort von entfalteten Aminosäureketten
ist bei niedrigen Kräften (< 300 pN) entropisch bedingt, während es bei höheren Kräften
zu enthalpischen Beiträgen durch Dehnung von Bindungen bzw. Biegung von Bindungswinkeln
kommt [47]. Die Kraft-Ausdehnungsantwort entfalteter Aminosäurenketten lässt
sich mit dem Worm-like Chain (WLC) Modell zur Polymerelastizität beschreiben [60]. Das
WLC Modell verwendet dazu zwei Parameter, die Konturlänge L und die Persistenzlänge p.
Die Konturlänge L beschreibt die Länge einer entfalteten Aminosäurenkette im extrapolierten,
vollständig gestreckten Zustand wie in Abb. 2.1 b). Der mit einem Entfaltungsereignis
verbundene Längenzuwachs in den Kraftkurven an GFP-Polyproteinen wurde daher mit
dem WLC Modell bestimmt. Dazu wurde die von Marko und Siggia eingeführte Interpolationsformel
[22][72]
F W LC (x) = k BT
p
(
1
·
4 · (1 − x/L) − 1 2 4 + x )
L
(2.2)