Die Struktur des elastisch verformten Akto-Myosin-Komplexes bei Kraftentwicklung im kontraktilen Apparat einzelner Skelettmuskelfasern: 2D-Röntgenstrukturanalyse und molekulares Modelling

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Eine elastische Verformung des Myosinkopfes durch Konformationsänderungen des Akto-Myosin-Komplexes im Verlauf der ATP-Hydrolyse wird allgemein als Grundprinzip der Erzeugung motiler Kräfte angenommen, nicht nur im strukturell hochorganisierten Muskel sondern auch für die Erzeugung von Kräften oder die Bewegung von Lasten durch nichtmuskuläre Myosine sowie Knesine und Dyneine. Die strukturelle Charakterisierung des Akto-Myosin-Komplexes in den verschiedenen Zwischenzuständen des ATPase Zyklus, insbesondere der Strukturen unter elastischer Verformung, und deren Korrelation mit der Hydrolyse von ATP sind daher der Schlüssel zum Verständnis der Grundprinzipien, durch die 'Motorproteine' Kräfte und Bewegung erzeugen. Proteinkristallographische Untersuchungen des isolierten Myosinkopfes oder cryo-elektronenmikroskopische Studien sind für diese Fragestellung ungeeignet, da bei beiden Techniken die eingesetzten isolierten Myosinköpfe nicht den entscheidenden elastischen Verformungen unterworfen werden können. Ziel unseres Projektes ist deshalb gerade die Struktur der Zwischenzustände des Akto-Myosin-Komplexes vor und nach Strukturumlagerungen unter elastischer Verformung aufzuklären. Dazu registrieren wir 2D-Röntgenbeugungsspektren von membranfreien Muskelfasern, sog. 'Skinned fibers', in den relevanten Zwischenzuständen des ATPase Zyklus. In einem aus den bekannten atomaren Koordinaten des Aktinfilaments und des isolierten, nicht elastisch verformten Myosinkopfes aufgebauten Modell führen wir dann systematisch Umlagerungen und Verformungen des Myosinkopfes ein und gleichen die errechneten 2D-Diffraktionsspektren des Modells an die experimentell registrierten Spektren an. So werden Änderungen in Aktinfilament und Myosinkopf beim Andocken von Myosin an Aktin und die Struktur des elastisch verformten Akto-Myosin-Komplexes durch dieses 'Molekulare Modelling' charakterisiert. In unseren Vorarbeiten haben wir alle notwendigen Voraussetzungen für das Projekt geschaffen.