Ralph Golbik, Dr. rer. nat.

Beiträge zur Stabilität, Faltung und strukturellen Integrität von Proteinen

Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium habilitatus (Dr. rer. nat. habil.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum 14.09.2005

Abstract
Der Prozess der Proteinfaltung im mechanistischen Detail ist eines der noch ungelösten Probleme der biologischen Wissenschaften. Es sind verschiedene Modelle vorgeschlagen worden, wie eine entfaltete Polypeptidkette ihre native, gefaltete Struktur findet. Die Thermodynamik und Kinetik der Faltung werden für das kleine Eindomänenprotein Barstar C40A/C82A/P27A (Barstar pseudo-Wildtyp), eine hergestellte Variante des intrazellulären Inhibitors der extrazellulären Ribonuklease Barnase, gezeigt. Der Zeitverlauf der Konformationsfaltung von Barstar wird auf der Grundlage der Faltungskinetik evaluiert. Die Isomerisierung einer cis-Prolylbindung als Teil des Faltungsprozesses wird mitels Doppelsprungtechnik untersucht und durch Peptidyl-prolyl-cis/trans-isomerasen als Faltungskatalysatoren bewiesen. Barstar pseudo-Wildtyp kann unter bestimmten Bedingungen Fibrillen bilden. Die Thermodynamik und Kinetik der Faltung der apikalen Domäne des Chaperonins GroEL wird beschrieben. Varianten dieser Domäne werden als Minichaperone bezeichnet und für biotechnologische Zwecke genutzt. Kollagen IV ist Teil der Basalmembran der Haut und ein netzwerkbildendes Protein. Es enthält einen Disulfidknoten als Bindungsstelle für einige Integrine, der eine höhere thermodynamische Stabilität im Vergleich zum restlichen Teil des Moleküls zeigt.

The process of protein folding in mechanistic detail is one of the still unsolved problems in biological sciences. Several models have been proposed for an unfolded polypeptide chain in finding its native, folded structure. The thermodynamics and kinetics of folding are presented for the small single-domain protein barstar C40A/C82A/P27A (barstar pseudo-wildtype), a designed variant of the intracellular inhibitor of the extracellular ribonuclease barnase. The time course of the conformational folding of barstar is evaluated on the basis of folding kinetics. The isomerization of a cis-prolyl bond as part of the folding process is studied by double-jump kinetics and proven using peptidyl-prolyl cis/trans isomerases as folding catalysts. Barstar pseudo-wildtype is able to form fibrils under special conditions. The thermodynamics and kinetics of folding of the apical domain of the chaperonin GroEL is described. Variants of this domain are named minichaperones and used for biotechnological purposes. Collagen IV is part of the basement membrane in skin and a network forming protein. It contains a disulfide knot being the binding site for some integrins, which displays a higher thermodynamic stability in comparison to the residual part of the molecule.

Keywords:
Proteinfaltung, Barstar, cis-Prolylbindung, Peptidyl-prolyl-cis/trans-isomerase, apikale Domäne, GroEL, Minichaperon, Kollagen IV

protein folding, barstar, cis-prolyl bond, peptidyl-prolyl cis/trans isomerase, apical domain, GroEL, minichaperone, collagen IV

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis (1-3)
1. Abkürzungsverzeichnis (4-5)
2. Einleitung (6-23)
3. Modelle der Proteinfaltung und Determinanten (24-26)
4. Cis/Trans-Isomerisierung von Peptidyl-Prolyl-Bindungen als langsame Konformationsänderungen und deren Katalyse durch Peptidyl-Prolyl-cis/trans-Isomerasen (27-44)
5. Molekulare Chaperone (GroEL) (45-46)
6. Faltung und Stabilität globulärer Eindomänenproteine (47-53)
7. Zusammenfassung der Forschungsergebnisse an Barstar (54-66)
8. Zusammenfassung der Forschungsergebnisse zur apikalen Domäne von GroEL (67-71)
9. Zusammenfassung der Untersuchungen zu Kollagen IV (72-76)
10. Literaturverzeichnis (77-102)
11. Tabellen (103-114)
12. Schemata (115-118)
13. Anhang (119)