Mechanische Anisotropie von Proteinen in ...

30 3. Dissoziation von Bindungen unter Kraft
liegenden Kraft. Wahrscheinlichkeitsdichten bilden die Schnittstelle zum Experiment: Sie
geben die Verteilung der Häufigkeiten an, mit der Bruchereignisse bei bestimmten Kräften
registriert werden. Der Vergleich von experimentell ermittelten Bruchkraftverteilungen mit
berechneten Wahrscheinlichkeitsdichten erlaubt direkt Rückschlüsse auf die Form des Potentialtopfes,
der den gefalteten Zustand einer Proteinstruktur entlang der Reaktionskoordinate
eingrenzt. Im Falle von Polyproteinen erhöht ein kraftinduzierter Zusammenbruch
der ersten von N gefalteten Strukturen die Länge entfalteter Polypeptidabschnitte im
gestreckten Polyprotein. Der Bruch führt zu einer schlagartigen Relaxation der am Polyprotein
anliegenden Kraft auf eine Kraft F 0 , die durch die momentante Ausdehnung des
nun verlängerten Polyproteins vorgegeben ist. Ist diese Grenzkraft F 0 viel kleiner als die
mittlere Bruchkraft der belasteten Strukturen, so kann mit Gl. 3.14 eine Bruchwahrscheinlichkeitsdichte
g S (F, N − 1) für den kraftinduzierten Zusammenbruch der nächsten der nur
noch N − 1 gefalteten Strukturen berechnet werden. Dieser Prozess läßt sich iterativ bis
zum Zusammenbruch der letzten gefalteten Struktur fortsetzen. Aus Gl. 3.16 ergibt sich
eine logarithmisch steigende wahrscheinlichste Bruchkraft mit abnehmender Zahl der in
einem Polyprotein vorhandenen intakten Strukturen. Diese Tatsache wird im folgenden als
N-Effekt bezeichnet. Bei statistisch unabhängiger Kinetik der einzelnen Strukturen wird
man mit zunehmender Zahl an erfolgten Bruchereignissen in kraftbelasteten Polyproteinen
im Mittel steigende Bruchkräfte beobachten.
3.5 Zusammenfassung
In diesem Kapitel wurde dargelegt, dass die Kräfte, bei denen es zum Bruch einer Bindung
kommt, Informationen über die Energielandschaft eines gebundenen Systems bzw. einer gefalteten
Proteinstruktur kodieren. Die Analyse von experimentell ermittelten Bruchkraftverteilungen
liefert
• die Potentialbreite ∆x und
• die Höhe der Energiebarriere ∆G ∗
des Potentialtopfes, der ein gebundenes System eingrenzt. Weiterhin wurden Netzwerke aus
N identischen Bindungen unter Kraft betrachtet. Dabei hat sich gezeigt, dass die Bruchkräfte
der ersten von N Bindungen in einem Netzwerk durch den größten wirkenden Anteil
max(α i ) einer externen Kraft auf Einzelbindungen bestimmt sind. Der erste Bindungsbruch
liefert dabei Bruchkraftverteilungen, deren Form und Zentrum durch
• eine apparente Potentialbreite ∆x a ≃ max (α i ) · ∆x
• eine apparente Energiebarriere ∆G ∗ a ≃ ∆G ∗ − k B T ln N ′
bestimmt werden, wobei N ′ die Zahl der Bindungen angibt, die den größten Anteil max(α i )
der anliegenden Kraft tragen. Vollständiger Bindungsbruch eines Bindungssystems findet
kooperativ statt. Polyproteine realisieren eine ideale Serienschaltung von Bindungen. Es
wurde der N-Effekt als Nachweis statistisch unabhängig und damit ungestört stattfindender
Bruchereignisse in Polyproteinen eingeführt.