Role of Interfacial Water in the Formation of Specific, Transient, and Non-Specific Protein-Protein Interactions

• Applicant: Professor Dr. Volkhard Helms
• Subject Area: Biophysics
• Term: from 2012 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213951044

Etwa die Hälfte aller Proteine in Zellen bildet permanent oder zeitweilig Komplexe mit anderen Proteinen. Dabei binden die Partner in sehr spezifischen Orientierungen. Allerdings kollidieren Proteine aufgrund der normalen Diffusionsbewegung ständig mit anderen Molekülen. Diese nicht spezifischen Wechselwirkungen haben jedoch eine sehr kurze Lebensdauer. Bisher ist weitgehend ungeklärt, wie sich beide Arten von Kontakten unterscheiden. Es ist dagegen wohlbekannt, dass sich die Eigenschaften der Wassermoleküle in den Hydrathüllen von Biomolekülen deutlich von denen des reinen Wassers unterscheiden. Zum Beispiel haben wir in Simulationen zur Protein-Protein- Assoziation beobachtet, dass die Dielektrizitätskonstante des Wassers im Zwischenraum zwischen beiden Proteinen deutlich kleiner ist und verschiedene Werte entlang der drei Raumrichtungen besitzt. Wir postulieren hier, dass das umgebende Wasser an der Bindungsschnittstelle die Assoziationsrate zweier Proteine und die Lebensdauer des gebundenen Komplexes deutlich beeinflusst. Wir werden dies mit Hilfe von molekulardynamischen Computersimulationen für die drei Modellsysteme Barnase:Barstar, Cytochrom c:Cytochrom c Peroxidase und Enzym I:Histidin-Phosphocarrier untersuchen, deren Assoziationsverhalten experimentell bisher am besten untersucht wurde. Dieses Projekt wird damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Komplexität in biologischen Zellen, sowie für die Entwicklung von Wirkstoffen liefern, die Protein-Protein-Interaktionen hemmen sollen.

• DFG Programme: Research Grants