Das Problem der Proteinfaltung

Proteine sind zentrale Bausteine jeder Zelle. Sie werden am Ribosom hergestellt und müssen eine Hürde überwinden bevor sie ihre Funktion ausführen können: Die Proteinfaltung. Dieser essentielle Prozess ist zu guten Teilen unverstanden und funktioniert doch zig tausenfach in jeder Zelle des Körpers. Es gibt verschiedene Ansätze, den Prozess der Proteinfaltung in silico zu modellieren.


Proteine sind für fast alles verantwortlich, was in einer Zelle funktioniert. Sie sind Strukturelemente (Aktin- und Tubulinfilamente), duplizieren die DNA bei der Zellteilung (DNA-Polymerase), lesen Gene ab (RNA-Polymerase), und das Ribosom, an dem neue Proteine aus mRNA-Sequenzen hergestellt werden, ist ebenfalls zu weiten Teilen aus Proteinen aufgebaut.
Proteine sind nichts anderes als Aminosäureketten. Die Zelle hat davon 20 zur Auswahl und am Ribosom wird eine an die andere gehängt und über sogenannte Peptidbindungen verbunden. Ein durchschnittliches Protein ist vielleicht 300 Aminosäuren lang, und welche Aminosäure jeweils eingebaut wird, ist auf der DNA kodiert.
Proteine liegen in der Zelle nicht einfach als Aminosäurekette vor. Sie kommen zwar Stück für Stück aus dem Ribosomenausgang hervor, sie falten sich dann aber, meist innerhalb von Sekunden, in ihre definierte dreidimensionale Struktur. Zur Vernschaulichung der Proteinfaltung ist hier ein kleines Video eingebunden. Die Buchstaben sind die Kürzel für die Aminosäuren, die Spiralen, die sich als erstes aus der Aminosäurekette bilden heißen alpha-Helices. Das fertig gefaltete Protein wird hauptsächlich durch schwache Wechselwirkungen, also Wasserstoffbrücken und hydrophobe Interaktionen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren zusammen gehalten.

Die dreidimensionalen Strukturen von fertig gefalteten Proteinen kann man beispielsweise mittels Röntgenstrukturanalyse bestimmen. Ein paar wunderschöne Beispiele kann man hier bewundern: Molekulare Mandalas.
Wie funktioniert der Prozess der Proteinfaltung im Detail? Das ist eine der großen, ungelösten Fragestellungen der Molekularbiologie, und die Antworte darauf wäre sicher einen Nobelpreis wert. Man kennt die Aminosäuresquenz, also die Primärstruktur und man kann das fertige Protein kristalisieren und die Struktur bestimmen. Die Vorhersage der Struktur oder gar der Funktion eines Proteins alleine aus dessen Sequenz ist jedoch mit sehr wenigen Ausnahmen bislang gescheitert.
Das liegt sicher nicht an fehlendem Interesse an dem Problem, sondern an dessen unglaublicher Komplexität. Das schnellste dezentrale Computercluster der Welt ist mit dem dynamischen modellieren von Proteinstrukturen beschäftigt: rund 8 Petaflop Prozessorpower werden für das Folding@home Projekt genutzt. Jeder der möchte, kann daran teilnehmen und seine nicht ausgelasteten Prozessorkapazitäten auf dem Heimrechner oder der Playstation 3 zur Verfügung stellen. Folding@home wird von Vijay Pandes Labor in Standford betreut.
Einen anderen Ansatz verfolgt die Gruppe um David Baker. Sie bieten eine Software an, mit der man nach Augenmaß Proteine falten kann: FoldIt. Je energetisch günstiger die zusammengeklickte Struktur ist, desto mehr Punkte erhält man und steigt dementsprechend in der Rangliste. Ziel ist es, das angeeignete Gefühl für Proteinstrukturen der Spieler für die tatsächliche Vorhersage von Proteinstrukturen zu nutzen, sowie aus den Strategien der Spieler zu lernen und neue Proteine zu designen. Und tatsächlich gibt es erste wissenschaftliche Publikationen mit FoldIt Daten.
Während das Falten von Proteinen in silico sehr rechenintensiv ist, oder im Fall von FoldIt Minuten dauert (Video unten), schaffen es die Proteine in vivo innerhalb von Sekunden die richtige Struktur zu finden. Meistens falten sich Proteine alleine; manche brauchen dazu aber Helfer, sogenannte Chaperone. Das sind auch Proteine, und darüber mehr im nächsten Artikel.

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5 Kommentare

  1. Der obige Artikel besagt:

    Proteine liegen in der Zelle nicht einfach als Aminosäurekette vor. Sie kommen zwar Stück für Stück aus dem Ribosomenausgang hervor, sie falten sich dann aber, meist innerhalb von Sekunden, in ihre definierte dreidimensionale Struktur.
    Etwa wie lange dauert es eigentlich vergleichsweise vom Anfang der Proteinbildung bis die Proteinkette aus dem Ribosom hervorgekommen ist?
    Kann die endgültige Faltungsstruktur davon abhängen, ob die Faltung “vom Anfang her” in dieser Reihenfolge einsetzt?

  2. Frank,
    das hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zum einen ist die Translation in Eukaryonten langsamer als in Bakterien, dann hängt die Geschwindigkeit von der sogenannten Codon-usage ab. Also: ein seltenes Codon führt zu einer Verlangsamung der Translation. Drittens haben Chemikalien, die ans Ribosom binden einen Einfluss auf die Geschwindigkeit, zum Beispiel das Antibiotikum Chloramphenicol. Weiter spielt die Wachstumsphase eine Rolle.
    Für E. coli liegt die Geschwindigkeit je nach Protein zwischen 12 und 21 Aminosäuren pro Sekunde. Hier ein Überblick über weitere Translation rates.
    Kürzlich gab es ein elegantes Paper in Science, in dem sie die Kopplung von Transkription und Translation gezeigt haben. Dort messen sie die Translationsraten von dem Reporter-Protein LacZ und komment auf Zahlen zwischen 14 Aminosäuren pro Sekunde (Wildtyp, exponentielles Wachstum) und 8 pro Sekunde (Stationäre Wachstumsphase): http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/328/5977/504
    Teile des fertigen Proteins, die zuerst aus dem Ribosom kommen, können sich schon falten, beispielsweise in Alpha-Helices. Sogar der Durchmesser der recht lange Ausgangsöffnung des Ribosoms (ribosomal exit tunnel) erlaubt, dass sich noch im Ribosom erste Sekundärstrukturelemente bilden.

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