Dissertation Martin Krause.pdf - KLUEDO - Universität Kaiserslautern

I II III
Abbildung 1.8: Schematische Darstellung des Prinzips der partiell gebundenen Zustände.
Jede Wechselwirkung, die ausgebildet wird, birgt einen enthalpischen Vorteil, während die
entsprechende konformationelle Einschränkung (z.B. Rotationsfreiheitsgrade) einen entropischen
Nachteil bedeutet. Bei schwachen Wechselwirkungen äußert sich der Übergang von einem Zustand in
den Nächsten entsprechend der Enthalpie-Entropie-Kompensation insgesamt nur unwesentlich in einer
Änderung der freien Energie des Systems. Daher ist beim Vorhandensein von nur wenigen
Wechselwirkungen der gebundene Zustand nur unwesentlich stabiler als der ungebundene Zustand.
Durch die Einführung von multiblen Wechselwirkungen wird jedoch die Verteilung zugunsten von
Komplexen mit einer größeren Zahl von gebundenen Zuständen und zu Ungunsten der
konformationellen Freiheit verschoben. Daher spielen multible Wechselwirkungen und Kooperativität
bei biologischen Systemen eine große Rolle, um Strukturen mit definierter Zusammensetzung
aufzubauen.
Alle oben aufgeführten Arten von Kooperativität haben eines gemeinsam: sie benötigen ein
gewisses Maß an Flexibilität in den Rezeptoren, sei es, um eine allosterische Kommunikation
zwischen Untereinheiten zu ermöglichen, oder durch Einschränkung dieser Flexibilität einen
entropischen Gewinn für eine Folgebindung zu erzielen.
1.5 Intra-Rezeptor Wechselwirkungen
Williams und Mitarbeiter haben eine weitere Theorie formuliert, welche einen Erklärungsansatz
liefert, wie biologische Systeme ihre Flexibilität in der Substratbindung gewinnbringend ausnutzen.
Sie postulierten, dass die aus der Einschränkung der Dynamik eines Rezeptors resultierende
Verstärkung intramolekularer Wechselwirkungen innerhalb der Rezeptorstruktur einen positiv
kooperativen Energiegewinn für die Gastbindung liefert. 54,55,56
Zur Validierung ihres Konzeptes untersuchten sie den Biotin-Streptavidin-Komplex. 57 Biotin
bindet mit einer bemerkenswert hohen Stabilitätskonstante (K = 10 13,4 M -1 ) an das Streptavidin-
Tetramer, wobei man berechnen kann, dass die Bindung 1000-mal stärker ist, als es für die Summe der
Einzelbeträge der Bindungen zu erwarten wäre. Des Weiteren ist die Wechselwirkung bemerkenswert
exotherm (∆H = -134 kJ/mol) und entropisch ungünstig (T∆S = -57 kJ/mol); daher kann man nicht von
einer Kooperativität im Sinne des entropischen Chelateffekts sprechen.
Um Änderungen in der Dynamik des Rezeptors nachzuweisen, wurden sowohl der Komplex
als auch das freie Streptavidin über einen definierten Zeitraum mit D2O inkubiert. Anschließende
massenspektrometrische Untersuchungen belegten, dass während dieser Zeit beim Komplex 22 Amid-
NH-Protonen weniger gegen Deuterium ausgetauscht wurden, als im freien Protein. Dies weist darauf
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