Proteine - Was sie im Innersten zusammenhält

Welche Kräfte stecken hinter dem dreidimensionalen Aufbau von Proteinen?

Biologische Systeme haben verschiedene Möglichkeiten reversible Wechselwirkungen zu vermitteln. Dies sind elektrostatische Bindungen, Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Bindungen.

Alpha-Helix und beta-Faltblatt bilden Wasserstoffbrücken zwischen NH- und CO-Gruppen den Hauptketten. Darüber hinaus können auch die Aminosäureseitenketten an Wasserstoffbrücken beteiligt sein. Zum Beispiel sind W (Tryptophan) und R (Arginin) Wasserstoff Donor. Als Donor und/oder Akzeptor können Asparagin, Glutamin, Serin und die Peptidgruppe selbst fungieren.

Proteinfaltung in vivo

Proteinlösungen, die Forscher wählen um die Faltung von Proteinen im Reagenzglas zu studieren sind immer stark verdünnt. Die Proteinmoleküle können unter diesen Bedingungen nur selten miteinander in Kontakt treten. Im Gegensatz dazu sind die Proteinlösungen innerhalb einer der Zelle hoch konzentriert. Der Proteingehalt im Zytosol liegt bei 100 – 300 mg/ml.

Da die Raumstruktur der Proteine über schwache Wechselwirkungen stabilisiert wird, die sich durch geringfügige Veränderungen der Umgebungsbedingungen leicht öffnen oder schließen lassen, begünstigen Wechselwirkungen mit anderen Aminosäureketten Fehlfaltungen.

In der ungefalteten Proteinkette sind solche potentielle Bindungsstellen für die Strukturbildung innerhalb des Moleküls frei zugänglich und können leicht auch mit den passenden Bildungsstellen anderer Moleküle in Wechselwirkung treten. Intermolekulare Wechselwirkungen verringern den Anteil an funktionellen Proteinmolekülen, Proteinaggregation durch falsche Zusammenlagerung exponierter hydrophober Oberflächen entsteht. Unter zellulären Bedingungen kann es schnell zu einer solchen Verklumpung kommen. Ursache dafür ist der Prozess der Proteinherstellung.

Das Ribosom übernimmt in der Zelle die Funktion aus einzelnen Aminosäuren – unter zu Hilfenahme der mRNA-Vorlage – eine lineare Kette von Aminosäuren zu generieren. Die Faltung dieser Aminosäurekette in eine bestimmte Struktur ist ein spontaner Vorgang, der durch die Kontakte der Seitenkette und des Proteinrückgrads initiiert wird. Dieser spontane Vorgang wartet nicht, bis die letzte Aminosäure an die Proteinkette geknüpft wurde, sondern beginnt unmittelbar nach verlassen des Ribosoms.