Domäne (Biochemie)

von lateinisch: dominium - Herrschaft, Herrschaftsgebiet
Synonym: Proteindomäne
Englisch: domain

Definition

Als Domäne bezeichnet man in der Biochemie die kleinste, stabil gefaltete Struktur innerhalb eines Proteins. Polypeptidketten besitzen dadurch eine Art Modularisierung in verschiedene Domänen, die oft mit bestimmten Funktionen gekoppelt ist. Gleichartige Domänen können sich innerhalb eines Proteins wiederholen bzw. verschiedene Proteine besitzen teilweise gleiche Domänen.

Struktur

Domänen umfassen meistens 100 bis 200 Aminosäurereste und haben einen durchschnittlichen Durchmesser von ca. 2,5 nm. Es sind aber auch weitaus größere und kleiner Domänen bekannt. Eine Domäne besitzt eine komplexe Sekundärstruktur und ist strukturell unabhängig vom Rest des Proteins. Neben der alpha-Helix- und dem beta-Faltblatt können auch Kombinationen dieser beiden Grundelemente vorkommen. Oftmals kommen Helixbündel in Domänen vor, die sich parallel oder antiparallel anordnen können. Komplexe antiparallele beta-Strukturen wie das beta-Fass sind ebenfalls möglich. Verschiedene Domänen innerhalb eines Proteins sind in der Regel durch kurze, strukturell einfache bzw. ungefaltete Abschnitten verbunden.

Viele Domänen nehmen eine globuläre Tertiärstruktur ein. Häufig sind dabei mehrere Lagen von Sekundärstrukturen kombiniert. Um z.B. einen hydrophoben Kern innerhalb einer Domäne von Wassermolekülen abzuschirmen, benötigt man eine Art Hülle; ähnlich wie eine große Kugel aus zwei Hälften, die eine kleinere Kugel umhüllt. Domänen ohne globuläre Struktur sind aber ebenfalls bekannt.

Domänen beeinflussen die Gesamtstruktur ihres Proteins und sind nicht immer klar von ihrer Umgebung differenzierbar. Häufig interagieren verschiedene Domänen miteinander und das Protein hat übergeordnet eine globuläre Struktur.

Einteilung

...nach Bezug zur Zellmembran

Bei Transmembranproteinen unterscheidet man nach dem Bezug zur Zellmembran:

Ektodomäne: außerhalb der Zelle gelegene Domäne
Transmembrandomäne: innerhalb der Zellmembran gelegene Domäne
Endodomäne: innerhalb der Zelle gelegene Domäne

...nach Funktion

katalytische Domäne: Domäne, an der sich die eigentliche Umsetzungsreaktion abspielt
Bindungsdomäne: Domäne für die Substratbindung
regulatorische Domäne: Domäne, welche die Aktivität eines Enyzms reguliert

Funktion

Durch ihre charakteristischen Formen haben Domänen spezifische Funktionen. Im Vordergrund steht dabei die Bindung von anderen Molekülen. Proteindomänen werden daher häufig auch als Bindedomänen bezeichnet. Bei Multidomänenproteinen kann eine Bindung durch die kooperative Aktivität von zwei oder mehr Domänen erfolgen. In diesem Fall befindet sich die Bindungsstelle meist an der Grenzfläche der beteiligten Domänen. Dies ist aber nur möglich, da die Domänen untereinander hochflexible, kovalente Bindungen besitzen, die wiederum eine Art flexible Wechselwirkung zwischen Polypeptid/Protein und Molekül zur Folge hat.

Die Bindung eines Moleküls über eine Domäne kann eine Änderung der Proteinstruktur hervorrufen. Solche induzierten Konformationsänderung spielen in verschiedenen biologischen Prozessen eine Rolle und sind Schlüsselschritte in verschiedenen Signalwegen.

Domänenfamilien

Bei Betrachtung von Strukturen vieler verschiedener Polypeptide, die ein beachtliches Maß an Domänen aufweisen, kann man diese Strukturen in Familien einteilen. Aber wenn man nur die Faltungsmuster vergleicht, ohne andere Merkmale heranzuziehen, wie zum Beispiel die Aminosäuresequenzen oder Oberflächenschleifen, dann reduziert sich die Zahl an Domänenfamilien auf einige hundert Stück. Empirisch betrachtet geht man heute schätzungsweise von maximal ca. 1000 Proteindomänen aus. Jedoch könnte sich dies in naher Zukunft nicht mehr bewahrheiten und somit die Anzahl an Domänenfamilien stärker ansteigen als vermutet.