Untersuchung der Strukturdynamik einzelner Proteine bei tiefen Temperaturen

Kurzbeschreibung In dieser Arbeit wurde die Strukturdynamik einzelner Proteine bei tiefen Temperaturen untersucht. Dazu wurden Serien von Fluoreszenzanregungsspektren an einzelnen peripheren Lichtsammelkomplexen von Purpurbakterien bei tiefen Temperaturen aufgenommen. Aus diesen Serien von Spektren wurden Trajektorien der spektralen Diffusion einzelner, in der Proteinmatrix der Komplexe eingebetteter BChl a-Moleküle erhalten. Eine Kumulanten-Analyse dieser Trajektorien lieferte die Verteilungen der ersten beiden Kumulanten der optischen Anregungen. Die Verteilungen der ersten Kumulante waren in allen beobachteten Fällen gaußförmig oder durch gaußförmige Beiträge zusammengesetzt. Zur Interpretation dieser Beobachtung wurden zuerst die Vorhersagen des TLS-Standardmodells, durch welches die spektrale Diffusion in Gläsern erfolgreich beschrieben werden kann, für die ersten beiden Kumulanten hergeleitet. Durch den Vergleich der Vorhersagen mit den experimentell gewonnenen Verteilungen der ersten Kumulante konnte eindeutig gezeigt werden, dass eine gemeinsame Beschreibung der wesentlichen Eigenschaften spektraler Diffusion von Proteinen und Gläsern nicht zutreffend ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Konformationsänderungen von Proteinen bei tiefen Temperaturen nicht durch das TLS-Standardmodell beschrieben werden können. Jedoch war es durch die Analyse der Kumulanten-Verteilungen möglich, zwei Klassen von TLS-Verteilungen abzuleiten, welche die experimentellen Ergebnisse zufriedenstellend erklären. Bei der Anwendung des Konzepts des spektralen Diffusionskerns zur Beschreibung der experimentellen Ergebnisse konnte die Identität der Verteilung der ersten Kumulante mit dem spektralen Diffusionskern gezeigt werden. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals der spektrale Diffusionskern eines einzelnen, in ein Protein eingebetteten Farbstoffes, dargestellt. Durch Analyse der spektralen Diffusionskerne wurden die von den beiden TLSKlassen erzeugten spektralen Verstimmungen der BChl a-Moleküle ermittelt. Der Vergleich mit druckinduzierten Verstimmungen von in Proteine eingebetteten Farbstoffen erlaubte es, aus den TLS-induzierten spektralen Verschiebungen den Mindestabstand beider TLS-Klassen zum Farbstoff abzuschätzen. Ein Vergleich der Abstände mit der Kristallstruktur von Rps. acidophila ergab, dass TLS der Klasse mit geringen spektralen Verschiebungen wahrscheinlich außerhalb des Proteins angesiedelt sind. Sie wurden deshalb der Dynamik des Lösungsmittels bzw. der Protein-Lösungsmittel-Grenze zugeordnet. Die andere Klasse der TLS, welche zu starken Verstimmungen des Farbstoffes führt, liegt allerdings höchstwahrscheinlich im Protein oder sogar innerhalb der Bindungstasche des Farbstoffes. Durch die voneinander getrennt beobachtete Dynamik des Proteins und des Lösungsmittels wurde wahrscheinlich erstmalig der Prozess des slavings bei einzelnen Proteinen gezeigt. Sowohl die Elektron-Phonon-Kopplung einzelner B800 BChl a-Moleküle als auch die spektrale Diffusion wurde bei den drei Spezies Rb. sphaeroides, Rsp. molischianum und Rps. Acidophila verglichen. Obwohl alle untersuchten Anregungen eine schwache Elektron-Phonon-Kopplung aufwiesen, konnte ein signifikanter Unterschied der Verteilungen der Debye-Waller Faktoren von Rps. acidophila und Rsp. molischianum im Vergleich zu der Verteilung bei Rb. sphaeroides festgestellt werden. Dies wurde verglichen mit der spektralen Diffusion der drei Spezies. Gestützt auf diese Vergleiche und ein auf Rps. acidophila aufbauendes Homologiemodell konnte ein vorläufiges Modell der B800-Bindungstasche von Rb. sphaeroides vorgeschlagen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Einzelmolekülspektroskopie eine hervorragende Methode ist, um die Strukturdynamik von Proteinen bei tiefen Temperaturen zu untersuchen. Die Wechselwirkung von