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Proteinfaltung

Die Proteinfaltung ist der Prozess, durch den Proteine ihre dreidimensionale Struktur erhalten. Die Proteinfaltung findet während und nach der Synthese der Peptidkette statt, und ist Voraussetzung für die fehlerfreie Funktion des Proteins.

Bei der Proteinfaltung faltet sich die Kette der Aminosäuren (oben) zu Sekundär- (rot, violett) und Tertiärstruktur (blau).

Proteinsynthese

Proteine werden an Ribosomen als lineare Polymere aus Aminosäuren synthetisiert. Die Abfolge der einzelnen Aminosäuren ist die Primärstruktur. Während oder nach der Synthese falten sich diese Aminosäure-Ketten in eine definierte räumliche Struktur (Tertiärstruktur), die kleinere Strukturelemente (Sekundärstruktur) enthält. Bilden sich außerdem noch Oligomere aus mehreren Proteinen in Tertiärstruktur, so spricht man von einer Quartärstruktur.

Während der Faltung nimmt die Kette von Aminosäuren innerhalb von Sekundenbruchteilen die einzig richtige aus einer sehr großen Anzahl möglicher Konformationen an ( → das Levinthal-Paradox). Der genaue Ablauf der Proteinfaltung ist noch nicht geklärt, aber es steht fest, daß das gefaltete Protein in der Regel die niedrigste freie Enthalpie aller möglichen Zustände hat. Außerdem scheint der Weg dorthin über lokale Energieminima zu verlaufen. Unterstützt und für viele Proteine erst ermöglicht wird der Prozeß durch Faltungshelfer (zum Beispiel Chaperone).

Struktur und Funktion

Die Funktion der Proteine als Enzyme, Strukturbausteine (beispielsweise Keratin der Haare) etc. ist nur durch eine definierte Struktur möglich. Dadurch ist die Proteinfaltung von großer Bedeutung für die Biologie und Medizin. Durch falsche Faltung von Proteinen hervorgerufene Krankheiten fallen in mehrere Sparten:

• solche, bei denen Mutationen die korrekte Faltung verhindern und damit das Protein nicht mehr funktioniert. Beispiel: Formen von Krebs, die auf Mutationen im Protein p53 zurückgehen.

• solche, bei denen Mutationen die korrekte Faltung verhindern und damit das Protein aggregiert. Beispiel: Sichelzellenanämie, bei der Hämoglobin aggregiert; die Alzheimersche Krankheit; die Parkinson-Krankheit; die Chorea Huntington.

• solche, bei denen Mutationen die korrekte Faltung verhindern und damit das Protein toxisch wirkt. Beispiel: BSE, verursacht durch die Prionen.

Denaturierung

Bei der Faltung nimmt das Protein den nativen (strukturierten oder biologisch funktionsfähigen) Zustand an. Den umgekehrten Prozess nennt man Denaturierung. Faltung und Denaturierung von Proteinen ähneln Phasenübergängen erster Ordnung, das heißt extensive Größen wie Volumen und Wärmeenergie ändern sich sprunghaft. Proteindenaturierung wird durch Hitze, extreme pH-Bedingungen, extreme Salzkonzentrationen, Lösungsmittel und anderes ausgelöst.

Forschung

Die erste umfassende Theorie zur Proteinfaltung wurde in den 1920er Jahren von dem chinesischen Wissenschaftler Hsien Wu entwickelt. Im europäisch/amerikanischen Raum wurden die ersten wesentlichen Arbeiten von Christian B. Anfinsen (Nobelpreis für Chemie 1972) in den 1950er Jahren durchgeführt.

Zur Zeit läuft ein Projekt der Stanford-Universität zum Berechnen dieser Faltungen, bei dem Internetnutzer mithelfen können, indem sie Rechenleistung zur Verfügung stellen: Folding@home