37  Faltung von Proteinen

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Damit ein Protein seine Funktionen in der Zelle richtig ausüben kann, muss es eine ganz spezifische dreidimensionale Form einnehmen. Obschon es in den Zellen nur Sekundenbruchteile dauert, um eine einzelne Proteinfaltung durchzuführen, würde es Milliarden Jahre dauern, wenn man alle Möglichkeiten einer einzelnen Faltung durchspielen wollte! Dabei muss man wissen, dass sich ein falsch gefaltetes Protein in der Regel nachteilig (im schlimmsten Fall sogar tödlich) für das Lebewesen auswirkt. Für den Aufbau einer einzelnen Zelle müssen Tausende Proteine richtig gefaltet werden. Da bleibt, wenn man so sagen will, "herzlich wenig" Spielraum für zufällige Prozesse.



Der erste Schritt der Proteinbildung ist die Synthese einer linearen Abfolge von Aminosäuren (Primärstruktur). Die eigentliche Funktion kann ein Protein aber nur ausführen, wenn neben dieser Abfolge auch eine wohldefinierte dreidimensionale Struktur vorhanden ist. Diese besteht aus charakteristischen Strukturelementen (Sekundärstruktur), die wiederum in eine übergeordnete räumliche Anordnung gefaltet werden (Tertiärstruktur). Weiter sind auch noch Aggregate mehrerer Proteine bekannt, die wiederum eine definierte Struktur (Quartärstruktur) aufweisen.


Das Problem der Proteinfaltung:

Proteine steuern fast alle Zellfunktionen im menschlichen Körper. Die Faltung bestimmt die Funktion des Proteins. Jede Veränderung der Protein-Faltung hat eine Veränderung der Funktion zur Folge. Auch die geringste Änderung im Faltungsprozess eines sonst nützlichen Proteins kann eine Krankheit auslösen.

Da die Anzahl möglicher Faltungen eines Proteins mit der Länge der Aminosäurekette exponentiell zunimmt, würde die benötigte Zeit zum Durchlaufen aller möglichen Faltungen (Konformationen) selbst eines kleinen Proteins mehrere Milliarden Jahre betragen. In der Praxis wird jedoch innerhalb von Sekundenbruchteilen eine genau definierte räumliche Struktur eingenommen.

Dieses als Levinthal-Paradox bekannte Phänomen veranschaulicht, dass Proteine bei der Faltung offensichtlich nicht alle Möglichkeiten durchlaufen, sondern mithilfe von sogenannten Faltungshelfern (Chaperone) Abkürzungen auf dem Weg zur finalen Struktur finden. Die Frage, die sich dabei stellt, ist, woher diese sogenannten Chaperone wissen, wie ein Protein letztlich auszusehen hat. Wie schon bei der Entstehung der Primärstruktur ist auch bei der Entstehung der Tertiär- bzw. Quartärstruktur Information notwendig, die nicht von sich aus entstanden sein kann, da das Endprodukt der Faltung im Voraus bekannt sein muss.


Virtuelle Protein-Faltung mit Blue Gene:

Im Jahr 2005 hat IBM den damals leistungsfähigsten Supercomputer der Welt (Blue Gene) gebaut, um das Problem der Protein-Faltung zu lösen (1). Auf einer Internetseite von IBM wird der Grund dafür angegeben: "Die Gemeinde der Wissenschaftler betrachtet das Problem der Protein-Faltung als eine der grössten Herausforderungen - als ein fundamentales Problem der Wissenschaft [.] dessen Lösung nur durch den Einsatz von sehr leistungsfähiger Computertechnik erreicht werden kann."

Trotz der hier angewendeten gewaltigen Rechenleistung wurde geschätzt, dass Blue Gene etwa ein Jahr braucht, um die Berechnungen und das Modell der Faltung eines einfachen Proteins zu liefern. Ein Forscher von IBM bemerkte dazu: "Die Kompliziertheit des Problems und die Einfachheit, mit der es im Körper täglich gelöst wird, ist absolut erstaunlich" (2).


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(1)  IBM, Blue Gene Research Project, 2003, http://www.research.ibm.com/bluegene/index.html

(2)
  S. Lohr, IBM plans supercomputer that works at the speed of life, New York Times, 6. Dez. 1999, S. C-1.



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Goinz wrote:
Auch hier gilt: Sich dumm stellen gilt nicht. Bildung hilft:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=chaperone%20evolution

Außerdem, das statement "Die Kompliziertheit des Problems und die Einfachheit, mit der es im Körper täglich gelöst wird, is