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Die Aktivitäten der meisten Proteine hängen von ihren Wechselwirkungen mit anderen Molekülen oder Ionen, den sogenannten Liganden, ab. Obwohl Liganden in der Lage sind, an Proteine zu binden, bindet nicht jeder Ligand an jedes Protein.
Stattdessen bindet ein Ligand nur an eine bestimmte Region auf der Oberfläche eines Proteins, die als Bindungsstelle bezeichnet wird. Aber wie gewährleisten Ligandenbindungsstellen die Selektivität, wenn Proteine in einer gemischten Ligandensuppe sitzen?
Die besondere Anordnung der Aminosäuren in einem Protein bildet eine komplementäre Bindungsstelle auf seiner Oberfläche für einen bestimmten Liganden. Komplementäre Formen reichen jedoch für die Ligandenbindung nicht aus.
Chemische Wechselwirkungen halten den Liganden und das Protein zusammen. Im Allgemeinen sind diese Wechselwirkungen nicht kovalent, reversibel und schwach. Daher müssen viele dieser Wechselwirkungen gleichzeitig während der Ligandenbindung stattfinden.
Je größer zum Beispiel die Oberfläche der Wechselwirkung ist, desto mehr Van-der-Waals-Wechselwirkungen können stattfinden. Diese Kräfte funktionieren am besten für große Liganden. Bei anderen ermöglicht die spezifische Konformation der Bindungsstelle Wasserstoffbrückenbindungen oder elektrostatische Wechselwirkungen.
Aber wenn die Ligandenbindungsstelle Wasserstoffbrückenbindungen bilden kann, warum bildet sie dann keine Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Wasser in ihrer Umgebung? Die Antwort liegt in der Form der Ligandenbindungsstelle.
In diesem Protein bildet beispielsweise die Ausrichtung der Aminosäuren einen Hohlraum, der den Zugang von Wassermolekülen einschränkt. Für einzelne Wassermoleküle ist der Eintritt in den Hohlraum energetisch ungünstig, da sie ihre Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Wassermolekülen aufbrechen müssen.
Dennoch bildet der Ligand leicht Wasserstoffbrückenbindungen mit den polaren Aminosäuren in der Bindungsstelle, da die spezifischen Protein-Liganden-Wechselwirkungen energetisch günstiger sind als ihre Wechselwirkungen mit Wassermolekülen.
Polare Aminosäuren gehen ebenfalls elektrostatische Wechselwirkungen mit einem Liganden ein. Zum Beispiel zieht das negativ geladene Glutamat an dieser Bindungsstelle den positiv geladenen Liganden an. Eine Mutation in dieser Sequenz, die dieses negativ geladene Glutamat in ein positiv geladenes Lysin umwandelt, eliminiert die Ligandenbindung.
Zusammengenommen bestimmen die genaue Abfolge und Orientierung der Aminosäuren zueinander die chemische Reaktivität und Selektivität der Ligandenbindungsstelle.
Proteine sind dynamische Makromoleküle, die eine Vielzahl von wesentlichen Prozessen ausführen. Die Aktivitäten der meisten Proteine hängen jedoch von…
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