Strukturuntersuchungen an Proteinen und Protein-Lipid-Systemen mittels Infrarot-Spektroskopie und Röntgenbeugung

Abstract

Zellfunktionen werden durch molekulare Elementarschritte gesteuert, die auf die Wechselwirkungen von Proteinen mit Proteinen, Lipiden, Nukleinsäuren und Kohlenhydraten beruhen. Das zelluläre Netzwerk mit seiner enormen funktionellen Vielfalt wird durch eine Vielzahl von schwachen und reversiblen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Reaktionspartnern ermöglicht. Diese Forschungsarbeit soll zum verbesserten Verständnis solcher Interaktionen beitragen. Der erste Themenbereich befasst sich mit der Aufklärung des Aggregationsmechanismus von amyloidogenen Proteinen am Beispiel von Prion-Protein, Transthyretin und Insulin. Im Fall der Amyloidosen liegt der pathologische Effekt darin, dass eine fehlerhaft gefaltete Isoform des Proteins gebildet wird, die in Form von Aggregaten in den Zellen abgelagert wird. Prion- und Transthyretin-Ablagerungen führen dann zu neurodegenerativen Erkrankungen des ZNS, bei Insulin bilden sich Ablagerungen in den Muskeln und führen dann zu deren Degeneration. Die Aufklärung des Auslösemechanismus der Amyloidosis, der Struktur und der Stabilität der fehlgefalteten Protein-Aggregate sind nicht nur vom großen akademischen Interesse, sondern auch entscheidend für die Entwicklung von therapeutischen Maßnahmen gegen diese, bis jetzt unheilbare, Erkrankungen. Molekulare Aggregationsmechanismen werden hier in vitro bei unterschiedlichen physikalischen Bedingungen wie Temperatur, Druck und pH-Wert mittels FTIR-Spektroskopie untersucht. Besonderes Interesse gilt dabei der Aufklärung der Sekundärstruktur der Intermediate und der Protein-Aggregate. Die Beteiligung von anderen molekularen Komponenten, wie DNA, an der Amyloidose wird ebenfalls berücksichtigt und analysiert. Lipid-Polymorphismus ist das Thema des zweiten Projekts. Schichten und Grenzflächen sind allgegenwärtig in biologischen Systemen. Hierzu zählen Zellmembranen, die viele strukturelle Aufgaben besitzen und eine Vielzahl an biologischen Funktionen ausführen. Besonderes Interesse gilt hier der Membran-Fusion, die ein äußerst wichtiger Prozess aller Zellen ist. Wässrige Monoolein-Dispersionen stellen einfache Modellsysteme dar, in denen Übergänge zwischen lamellaren und kubischen Phasen in vitro beobachtet werden können. Es besteht nämlich ein enger Zusammenhang zwischen der Struktur einer Fusions-Pore und inversen kubischen Phasen. Der Mechanismus und die Kinetik der Phasen-Umwandlungen werden mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugung studiert. Ein dritter Themenbereich befasst sich mit der Wechselwirkung von Proteinen mit nanostrukturierten Lipidsystemen. Dabei steht der Einbau von Proteinen (Cytochrom c,-Chymotrypsin und Insulin) in die kubischen Phasen von Monoolein im Mittelpunkt des Interesses. Kubische Phasen sind „weiche“ Analoga von Zeolithen, die hydrophile, hydrophobe und amphiphile Substanzen lösen können und als Transportmittel für Wirkstoffe oder als Matrix für die Protein-Kristallisation verwendet werden können. Der Einfluss der Proteine auf die strukturellen Eigenschaften der Lipid-Umgebung sowie die Stabilität der in die engen Geometrien eingeschlossenen Proteine werden mittels FTIR-Spektroskopie und Röntgenbeugung untersucht.