Mechanische Anisotropie von Proteinen in ...

42 5. Direktionale Mechanik einer Proteinstruktur
unabhängig stattfindende Bruchereignisse in GFP Polyproteinen nach. Gäbe es Nachbarwechselwirkungen,
so würde man gekoppelte Bruchwahrscheinlichkeiten annehmen müssen.
Diese würden sich mit steigender Ausdehnung in abnehmenden Kräften manifestieren, was
nicht beobachtet wird.
5.2 Direktionale Eigenschaften der Energielandschaft
der GFP Struktur
In Kapitel 3 wurde dargelegt, dass Bruchkraftverteilungen Eigenschaften des Bindungspotentiales
eines gebundenen Systems wiederspiegeln. Die variierenden Kraftverteilungen in
Abb. 5.1 legen daher nahe, die Ursache hierfür in anisotropen Eigenschaften des Bindungspotentiales
bzw. der Energielandschaft des GFP entlang der verschiedenen Richtungen zu
suchen. Die Bruchkraftverteilungen in Abb. 5.1 erlauben es, die absolute Form des Energielandschaft
der gefalteten GFP Struktur entlang der verschiedenen Reaktionspfade zu
untersuchen und im Rahmen des in Kapitel 3 dargestellten linearen Modells die apparente
Potentialbreite ∆x ij sowie die Höhe der energetischen Barriere ∆G ∗ ij in jeder der acht
Belastungsrichtungen zu bestimmen. Aufgrund der Konstruktion der Polyproteine über
Cysteine Engineering gibt es keinerlei Unsicherheit in Bezug auf Angriffspunkte und Richtung
der an einem gefalteten GFP Molekül anliegenden Kraft. Zudem konnte in Kapitel 2
sichergestellt werden, dass Bruchereignisse aus der nativen, nicht-deformierten GFP Struktur
heraus stattfinden. Es gibt damit auch keinerlei Unsicherheit über den molekularen Zustand
des GFP vor einem Bruchereignis. Die Kraft-Ausdehnungsantwort von elastischen
Polypeptidabschnitten ist nichtlinear. Damit ist die effektive Federhärte κ −1 = p −1
c +p −1
p (F )
des Systems aus Cantilever der Federhärte p c und entfalteten Polypeptidabschnitten p p (F ),
über das gefaltete GFP Strukturen belastet werden, abhängig von der aktuell wirkenden
Kraft. Die Auswirkungen zeitlich nichtlinearer Belastung auf die Kinetik von Bindungen
wurden durch Evans et al. [35] und durch Friedsam et al. [37] untersucht. Es zeigte sich, dass
die Nichtlinearität einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf Bruchkraftverteilungen
hat.
Nach einem Bruchereignis sinkt zudem die anliegende Kraft in Polyproteinen nicht wieder
auf Null ab, sondern auf einen Wert, der durch die Kraft, bei der das Bruchereignis
erfolgte, vorgegeben wird (vgl. Abb. 1.5). Dadurch entsteht eine stochastische Kooperativität,
die Form und Position von Bruchkraftverteilungen beeinflusst. Der Effekt ist dabei
umso stärker, je kleiner der Längenzuwachs pro Bruchereignis ist (vgl. [29], ”kommunizierende
Entfaltungsereignisse”). Die Zahl der gefalteten Strukturen in Polyproteinen hat
zudem einen statistischen Einfluss auf die Bruchkräfte (vgl. Kapitel 3 und Abb. 5.2).
Monte-Carlo Simulationen erlauben es, alle genannten Eigenheiten vollständig und
präzise in eine Analyse einzubeziehen [88][32]. Basis der Simulationen bildet das Modell zur
Konformationskinetik aus Kapitel 3. Die Methodik der Simulationen ist in Anhang D.3 dargestellt.
Die durchgeführten Monte-Carlo Simulationen lieferten Bruchkraftverteilungen,