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Bestimmung der Sekundärstruktur von Proteinen und Peptiden

Im Ultravioletten (UV)-Spektralbereich sind zirkular-dichroistische Untersuchungen (CD) seit einigen Jahren bekannt. Die Anwendungen sind aber häufig Limitierungen unterworfen. So sind die charakteristischen Absorptionsbanden in der Regel sehr breit und von unspezifischen Banden (z.B. von aromatischen Seitenketten) überlagert. Insbesondere bei Biomolekülen begrenzen die hohen Absorptions- und Streukoeffizienten die Anwendungen.

Im Infraroten (IR) werden dagegen Molekülschwingungen angeregt. Die entsprechenden IR-Absorptionsbanden sind typischerweise schmal und spezifisch. Eine Maskierung der Informationen, wie in der elektronischen CD, wird im IR nicht beobachtet.

In der folgenden Abbildung sind die VCD-(oben) und Absorptions(unten)-Spektren von Hämoglobin (links), Lysozym (mitte) und Concanavalin A (rechts) jeweils als D2O-Lösung (50mg/ml) in einer 25µm CaF2-Zelle dargestellt.

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Die Absorptionsspektren der drei Proteine sind sehr ähnlich: Alle zeigen eine relativ breite, unstrukturierte Amid I Absorptionsbande (hauptsächlich C=O-Streckschwingung), mit "I" gekennzeichnet, und Amid II Absorptionsbande (hauptsächlich C-N-Streck- und N-H-Deformationsschwingung), mit "II" gekennzeichnet.

Erst bei genauerer Betrachtung fällt auf, dass die Amid I-Bande des Hämoglobin symmetrisch um 1650 cm-1 ist, während Concanavalin A sein Amid I-Absorptionsmaximum bei 1630 cm-1 sowie eine kleine Schulter bei 1690 cm-1 aufweist.

Trotz der ähnlichen Absorptionsspektren weisen diese Proteine aber signifikante Unterschiede in Ihrer Sekundärstruktur auf: Hämoglobin liegt hauptsächlich in der α-Helix-Struktur vor, während Concanavalin A zum überwiegenden Teil in der β-Faltblattform existiert und Lysozym beide Strukturelemente zu vergleichbaren Anteilen aufweist.

Sehr viel deutlicher kommen die unterschiedlichen Sekundärstrukturanteile in den VCD-Spektren zum Tragen. Die ableitungsartige VCD-Bande des Hämoglobin ist typisch für einen hohen α-Helix-Anteil, während die "Senke" bei 1630 cm-1 im VCD-Spektrum von Concanavalin A sehr spezifisch für ß-Faltblattstrukturen ist. So wird verständlich, dass das VCD-Spektrum von Lysozym beide Strukturen enthält.

Die VCD-Spektroskopie bietet somit eine hervorragende Möglichkeit Sekundärstrukturen von Proteinen aufzuklären, genauso aber auch Konformationsänderungen zu beobachten. Messungen an anderen Proteinen zeigen, dass das VCD-Signal eindeutig von der Sekundärstruktur abhängt.

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