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3.3: Protein-Faltung
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PROTOKOLLE

3.3: Protein-Faltung

Überblick

Proteine sind ganze Ketten von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Bei der Synthese faltet sich ein Protein in eine dreidimensionale Form. Diese Form ist für seine spätere biologische Funktion ausschlaggebend. Abhängig von den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Aminosäuren, aus denen das Protein besteht, ist die Struktur des Proteins in erster Linie von seiner Aminosäuresequenz abhängig.

Die Struktur des Proteins ist für seine biologische Funktion von entscheidender Bedeutung

Proteine erfüllen eine Vielzahl biologischer Funktionen. Dazu gehören unter anderem die Katalyse chemischer Reaktionen, die immunologische Verteidigung, die Speicherung, den Transport, die zelluläre Kommunikation, die Bewegung und die strukturelle Unterstützung. Die Funktion eines Proteins hängt hauptsächlich von seiner Fähigkeit ab, andere Moleküle nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zu erkennen und zu binden. Die spezifische Tätigkeit jedes Proteins hängt daher von seinem einzigartigen dreidimensionalen Aufbau ab.

Damit ein Protein funktionsfähig ist, muss es sich genau falten. Die meisten Proteine durchlaufen mehrere Zwischenformen, bevor sie sich in ihre stabilste, biologisch aktive Struktur entfalten. Eine Fehlfaltung von Proteinen wirkt sich nachteilig auf die Gesamtfunktion der Zelle aus. Beim Menschen sind mehrere Krankheiten auf die Anhäufung falsch gefalteter oder ungefalteter Proteine zurückzuführen. Dazu gehören Mukoviszidose, Alzheimer, Parkinson, ALS und die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit.

Entscheidende Faktoren der Proteinstruktur

Proteine bestehen aus einer oder mehreren Aminosäureketten, den sogenannten Polypeptiden. Ein Polypeptid wird als lineare Kette synthetisiert, die sich schnell zu einer dreidimensionalen Struktur zusammenfaltet. Der Begriff Polypeptid und Protein werden manchmal austauschbar verwendet. Am häufigsten bezeichnet man jedoch gefaltete Polypeptide, die biologische Funktion erfüllen können, als Proteine. Eine Proteinstruktur wird normalerweise auf vier Ebenen beschrieben: primär, sekundär, tertiär und quaternär. Die meisten Polypeptide falten sich zu einer insgesamt kompakten, kugelförmigen tertiären Struktur. Ein Beispiel hierfür ist Hämoglobin, ein sauerstofftragendes Protein im Blut. Einige Proteine, wie Keratine, können lange Fasern bilden, die häufig in Haaren und Nägeln zu finden sind.

Die Sequenz der Aminosäuren in der Polypeptidkette ist der primäre Bestimmungsfaktor für deren Struktur. Die Aminosäuresequenz bestimmt die Art und Lage der Sekundärstrukturen. Zusätzlich wird die gesamte Tertiärstruktur eines Proteins überwiegend durch chemische Bindungen zwischen den Aminosäureseitenketten stabilisiert. Das sind einzigartige chemischen Gruppen, welche die Aminosäuren voneinander unterscheiden. Diese Seitenketten sind entweder positiv oder negativ geladen, polar ungeladen oder unpolar.

Aminosäuren haben einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften, je nach dem, welche Seitenkettengruppen sie besitzen. So interagieren polare und geladene Aminosäuren mit Wasser unter Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Sie werden als hydrophil; bezeichnet, während die unpolaren Aminosäuren Wechselwirkungen mit Wasser vermeiden und als hydrophob bezeichnet werden. Wenn ein Protein in einer zellulären Umgebung gefaltet wird, werden daher Seitenketten von hydrophoben Aminosäuren im Kern des Proteins weg von der wässrigen Umgebung eingebettet, während die Seitenketten der hydrophilen Aminosäuren an der Oberfläche des Proteins freiliegen.

Die dicht gepackten hydrophoben Aminosäuren im Proteinkern führen zur Entstehung von schwachen Van-der-Waals-Kräften zwischen den Seitenkettengruppen. Die vorhandenen Van-der-Waals-Kräfte verleihen dem gefalteten Protein zusätzliche Stabilität. Die auf der Oberfläche des Proteins freiliegenden polaren Aminosäuren sind frei, um Wasserstoffbrücken mit Wassermolekülen oder anderen polaren Aminosäurenseitenketten bilden zu können. Die positiv und negativ geladenen Aminosäuren befinden sich auch auf der Außenseite des Proteins, wo sie ionische Bindungen mit anderen in der Nähe befindlichen, entgegengesetzt geladenen Aminosäuren bilden.

Zwischen zwei Sulfhydryl-oder SH-Gruppen an der Aminosäure Cystein bilden sich Disulfidbindungen. Hier liegt eine sehr robuste Wechselwirkung vor. Sie stärkt das gefaltete Protein. Das Vorhandensein von Disulfidbindungen fixiert das gefaltete Protein in seiner bevorzugten dreidimensionalen Form. Die korrekte Faltung eines Proteins hängt auch von anderen Faktoren der zellulären Umgebung wie pH-Wert, Salzkonzentration, Temperatur, etc. ab. Eine Änderung der physikalischen und chemischen Bedingungen in einer Umgebung des Proteins beeinflusst die chemischen Wechselwirkungen, die das Protein zusammenhalten. Das kann dazu führen, dass sich das Protein falsch faltet oder entfaltet und seine biologische Funktion verliert. Dieser Prozess, ist als Protein-Denaturierung bekannt.


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