Proteindomäne

Als Proteindomäne wird ein Bereich der Polypeptidkette eines Proteins definiert, der selbststabilisierend ist und sich unabhängig vom Rest des Moleküls faltet. Dieser Domänenbereich enthält i.d.R. zwischen 50 und 350 Aminosäurereste. Kleine Proteine enthalten oft nur eine Domäne. Größere Proteine können mehrere Domänen enthalten. Domänen sind über wenig strukturierte Kettenbereiche miteinander verbunden. Die kürzesten Domänen, wie z. B. die Zinkfinger-Domäne, werden z.B. durch Metallionen oder Disulfidbrücken stabilisiert. Jede Domäne bildet somit eine kompakte, stabile, dreidimensional gefaltete Struktur. Viele Domänenfamilien finden sich in allen drei Lebensformen, Archaea, Bacteria und Eukarya (Wheelan SJ et al. 2000).

Viele Proteine sind modular aus einer Zusammenstellung verschiedener Proteindomänen aufgebaut, die nur in dieser Kombination die spezifische Funktion des Proteins herstellen. Eine Proteindomäne kann als modularer Baustein in den unterschiedlichsten Proteinen zu unterschiedlichen Funktionen führen. Dieses evolutionäre Prinzip ermöglicht eine hohe Geschwindigkeit in der Entstehung neuer Proteine, da sie aus bereits vorhandenen Peptidbausteinen zusammengestellt werden können (Wheelan SJ et al. 2000).

Domänen bilden oft funktionelle Einheiten, wie z. B. die Calcium-bindende EF-Hand-Domäne von Calmodulin. In einem Multidomänen-Protein kann jede Domäne ihre eigene Funktion unabhängig ausüben, oder sie erfüllt eine Funktion in einem konzertierten Ansatz mit ihren Nachbarn. Domänen können entweder als Module für den Aufbau großer Baugruppen wie Viruspartikel oder Muskelfasern dienen (strukturelle Proteine), oder sie können auch spezifische katalytische oder Bindungsstellen bereitstellen (funktionelle Proteine). Dies ist in Enzymen oder regulatorischen Proteinen der Fall.

Primärstruktur der Proteine: Die Primärstruktur (string of amino acids) eines Proteins definiert letztlich seine gefaltete dreidimensionale (3D) Konformation (Anfinsen CB et al. (1961). Der wichtigste Faktor, der die Faltung eines Proteins in seine 3D-Struktur bestimmt, ist die Verteilung der polaren und unpolaren Seitenketten (Jones S et al. (1998).Im Allgemeinen haben Proteine einen Kern aus hydrophoben Resten, der von einer Schale aus hydrophilen Resten umgeben ist. Da die Peptidbindungen selbst polar sind, werden sie durch Wasserstoffbrückenbindungen untereinander neutralisiert, wenn sie sich in der hydrophoben Umgebung befinden. Dadurch entstehen Bereiche des Polypeptids, die regelmäßige 3D-Strukturmuster bilden, die als Sekundärstruktur bezeichnet werden.

Zwei Haupttypen von Sekundärstrukturen werden beobachtet: α-Helices und β-Sheets. Einige einfache Kombinationen von Sekundärstrukturelementen treten häufig in der Proteinstruktur auf und werden als Supersekundärstruktur oder Motive bezeichnet. Eine häufige Supersekundärstruktur ist das β-α-β-Motiv, das häufig verwendet wird, um zwei parallele β-Stränge zu verbinden. Die zentrale α-Helix verbindet die C-Termini des ersten Strangs mit den N-Termini des zweiten Strangs, wobei sie ihre Seitenketten gegen das β-Faltblatt packt und somit die hydrophoben Reste der β-Stränge von der Oberfläche abschirmt. Die kovalente Assoziation zweier Domänen stellt einen funktionellen und strukturellen Vorteil dar, da es im Vergleich zu den gleichen Strukturen, die nicht kovalent assoziiert sind, zu einer Erhöhung der Stabilität kommt (Cordes MH et al. 1996)

Tertiärstruktur der Proteine: Domänen sind die grundlegenden Einheiten der Tertiärstruktur, wobei jede Domäne einen individuellen hydrophoben Kern enthält, der aus sekundären Struktureinheiten aufgebaut ist, die durch Schleifenbereiche verbunden sind (Anfinsen CB et al. 1961). Die Packung des Polypeptids ist in der Regel im Inneren viel dichter als an der Außenseite der Domäne, wodurch ein feststoffähnlicher Kern und eine flüssigkeitsähnliche Oberfläche entstehen. Die molekulare Evolution lässt Familien verwandter Proteine mit ähnlicher Sequenz und Struktur entstehen. Hierbei ist anzunehmen, dass einige Faltungen bevorzugt werden, da sie stabile Anordnungen von Sekundärstrukturen darstellen. In den verschiedenen Proteindatenbanken sind ca. 110.000 experimentell ermittelte 3D-Strukturen von Proteinen hinterlegt.

Datenbanken zu Proteindomänen

• Pfam: Pfam beinhaltet die Familien von Proteindomänen. Mit Hilfe bekannter Domänen kann der Benutzer über einem Sequenzvergleich in einem unbekannten Protein auf eine ähnlich Funktion oder eine evolutionäre Verwandtschaft schließen.
• ProDom: ProDom enthält Proteindomänen, die von Sequenzen aus SWISS-PROT und TrEMBL stammen. Weiterhin kann die Domänenstruktur eines Proteins graphisch dargestellt werden.
• SMART: SMART ist die Abkürzung für Simple Modular Architecture Research Tool und ist eine Datenbank über Familien von Proteindomänen. Zu diesen kann der Benutzer Auskunft über Funktion, wichtige Aminosäuren, phylogenetische Entwicklung und der Tertiärstruktur erhalten.
• CDD: CDD steht für Conserved Domain Database und ist eine Datenbank, bei der man Domänen und das dazugehörige Sequenzalignment abfragen kann. Die Einträge sind hier aus Pfam, SMART und COG abgeleitet.
• HITS: Mit der HITS-Datenbank kann man Proteindomänen abfragen.
• InterPro: Über die InterPro sind eine Beschreibung der Funktion der Proteinfamilie, Literaturreferenzen und Querverweise abrufbar. Informationen werden dabei durch Integration verschiedener Datenbanken wie PROSITE, PRINTS, Pfam und ProDom zusammengestellt.
• DALI Domain Dictionary: Das DALI-Wörterbuch der Domänen macht eine automatische Klassifikation von Proteindomänen auf der Basis von Sequenzübereinstimmungen. Mit diesem Wörterbuch kann der Benutzer 3-D-Proteinstrukturen vergleichen und strukturelle Domänen identifizieren, die sich in zwei verschiedenen Proteinen ähneln, obwohl sich die Sequenzen voneinander unterscheiden.

1. Anfinsen CB et al. (1961) The kinetics of formation of native ribonuclease during oxidation of the reduced polypeptide chain". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 47: 1309-1312
2. Bennett MJ et al. (1995) 3D domain swapping: a mechanism for oligomer assembly. Protein Science 4: 2455–2468.
3. Cordes MH et al. (1996) Sequence space, folding and protein design". Current Opinion in Structural Biology 6 : 3–10.
4. Garel J (1992) Folding of large proteins: Multidomain and multisubunit proteins. In Creighton T (Ed). Protein Folding(First ed). New York: W.H. Freeman and Company. S 405–454.
5. Ghélis C et al. (1979) Conformational coupling between structural units. A decisive step in the functional structure formation. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, Série D. 289: 197–199.
6. Jones S et al. (1998) Domain assignment for protein structures using a consensus approach: characterization and analysis" Protein Science. 7: 233–242.
7. Phillips DC (1966) The three-dimensional structure of an enzyme molecule". Scientific American. 215: 78-84
8. Wheelan SJ et al. (2000) Domain size distributions can predict domain boundaries. Bioinformatics. 16: 613-620