Struktur- und Faltungsuntersuchungen am majoren Lichtsammelkomplex II mittels Elektronen-Paramagnetischer-Resonanz (EPR)
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Membranproteine haben einen Anteil von 30% an bisher sequenzierten Genomen und bieten Ansatzpunkte für mehr als 50% der bekannten Arzneimittel (Heyden et al. (2012)). Daher ist die Erforschung von Struktur, Funktion und Faltung wichtig für das Verständnis des Metabolismus von Tieren und Pflanzen. Aufgrund der Einbettung in biologischen Membranen mit stark hydrophobem Kern und amphiphilen peripheren Bereichen stellen Untersuchungen an integralen Membranproteinen bis heute ein experimentelles Problem dar. Der majore Lichtsammelkomplex II (LHCII) aus Pisum sativum ist ein ideales Modellobjekt für Analysen von Struktur und Faltung von Membranproteinen, da er nicht nur rekombinant exprimiert und in vitro in Detergenzmizellen rekonstituiert werden kann, sondern mit einer hohen Rückfaltungsdauer von fünf Minuten detaillierte Einblicke in die Assemblierung erlaubt. Während dem Faltungsprozess bindet er acht Chl a, sechs Chl b und vier Carotinoide, und kann daher auch Informationen über Ligandenbindungsprozesse liefern. In der vorliegenden Arbeit wurden mithilfe von zeitaufgelöster Paramagnetischer-Resonanzspektroskopie Strukturuntersuchungen und Faltungsanalysen am LHCII durchgeführt. Die Kombination eines kommerziellen "Stopped-Flow"-Systems mit einer an der ETH Zürich entworfenen "Freeze-Quench"-Einheit erlaubte es, doppelt spinmarkierte Komplexe in verschiedenen Faltungstadien zu konservieren und im DEER-Verfahren die Abstandsentwicklung der markierten Domänen zu messen. Die Ergebnisse zeigten einen Faltungsverlauf, der dem "Three-Stage-Model" von Engelman et al. (2003) entsprach, jedoch auf das separate Ablaufen dieser drei Phasen für einzelne Domänen des LHCII hinwies. Helikale Domänen bildeten sich sehr früh aus, während sich die Ausrichtung der lateralen Schleifendomänen über die gesamte Faltungsdauer hinzog. Abstandsmessungen von markierten Domänen des vollgefalteten Komplex wurden zur Analyse zweier flexibler Bereiche des LHCII herangezogen: Der lumenalen Schleife zwischen den Aminosäuren 96 und 113 und den in der Kristallstruktur nicht aufgelösten ersten zehn Aminosäuren der N-proximalen Sequenz. Für die lumenale Schleife konnte eine hohe Flexibilität abhängig von der Neoxanthinbindung im Monomer nachgewiesen werden, die im trimeren Zustand abnahm. Eine Reihe von Abständen zwischen Positionen nahe dem N-Terminus und Positionen im rigiden Bereich des Proteins wurden verwendet, um den Raum zu modellieren, in dem sich die N-proximale Sequenz mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. Dieser Unterschied sich zwischen trimerem und monomerem LHCII.