When can a protein be regarded as a polymer? Form and dynamics characterization of different folding states of horse-heart Apomyoglobin

• Wann kann ein Protein als Polymer betrachtet werden? Charakterisierung der Form und Dynamik unterschiedlicher Faltungszustände von Apomyoglobin aus Pferdeherzen

Balacescu, Livia; Fitter, Jörg (Thesis advisor); Stadler, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Gleichgewichtsdynamik von Faltungszwischenprodukten hängt mit der Exploration des Konformationsraumes auf der Nanosekunden-Zeitskala zusammen und könnte Auswirkungen auf das Verständnis der Proteinfaltung haben. Zum ersten Mal wurde das gleiche Proteinsystem Apomyoglobin, die hämfreie Form von Myoglobin, unter Verwendung von Neutronenspin-Echo-Spektroskopie in verschiedenen Zuständen untersucht werden: nativ, teilweise gefaltet (molten Globule) und vollständig entfaltet, auf zwei verschiedenen Entfaltungswegen: erstens mit Säure und zweitens mit Guanidiniumchlorid (GdmCl). Während die interne Dynamik des nativen Zustands unter Verwendung einer Normalmodusanalyse aufgrund der hochauflösenden Strukturinformationen von Myoglobin verstanden werden kann, werden für die entfalteten und sogar für das molten Globule Modelle aus der Polymerwissenschaft verwendet. Das Zimm-Modell beschreibt genau den langsam entspannenden, expandierten GdmCl-denaturierten Zustand, wobei die Individualität der verschiedenen Aminosäureseitenketten ignoriert wird. Die Dynamik der mit Säure vollständig entfaltete und molten Globule Zustände ist im Rahmen des Zimm-Modells mit innerer Reibung ähnlich, bei dem die Ketten immer noch interagieren und sich gegenseitig behindern: die erste Zimm-Relaxationszeit ist so groß wie die innere Reibungszeit. Die vorübergehende Bildung von Sekundärstrukturelementen in der entfalteten Säure und das Vorhandensein von α-Helices im molten Globule Zustand führen in ähnlichem Maße zu innerer Reibung. Das Zimm-Modell mit innerer Reibung charakterisiert diese Zustände jedoch nicht perfekt. Andere Modelle aus der Polymerwissenschaft wurden verwendet, von denen keines zu besseren Ergebnissen führte. Daru ̈ber hinaus enthält diese Arbeit Details zur Entwicklung von in situ dynamischen Lichtstreuungsaufbauten (DLS) am Kleinwinkel-Neutronenstreuungsinstrument KWS- 2 und am Neutronenspinecho-Instrument J-NSE am MLZ in Garching. Durch die Durchführung von in situ DLS-Messungen während der Neutronenstrahlzeit wurde sichergestellt, dass die untersuchten Proteinlösungen keine Aggregate aufwiesen, die die Analyse der Struktur und Dynamik der Proteinmoleküle behindern könnten.