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Die Proteinstruktur (soweit es die Raumstruktur der Proteine betrifft auch Proteinkonformation[1]) wird in der Biochemie in verschiedene Strukturebenen eingeteilt. Die Einteilung zu einer Hierarchie in Primärstruktur (Aminosäuresequenz, die Abfolge der Aminosäuren in der Peptidkette), Sekundärstruktur (lokale Faltung der Peptidkette), Tertiärstruktur (gesamte räumliche Faltung der Peptidkette) und Quartärstruktur (Komplex aus mehreren Peptidketten) wurde erstmals 1952 von Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang vorgeschlagen.[2] Änderungen der räumlichen Proteinstruktur werden Konformationsänderungen genannt.
Inhaltsverzeichnis |
In der Biochemie werden vier hierarchisch angeordnete Strukturebenen in Proteinen unterschieden:
Einige Proteine ordnen sich noch in eine über die Quartärstruktur hinausgehenden, molekular aber bereits ebenso prädeterminierten „Überstruktur“ oder „Suprastruktur“ an, wie Kollagen in der Kollagenfibrille oder Aktin, Myosin und Titin im Sarkomer der Muskelfibrille oder Kapsomeren im Kapsid behüllter Viren.
Der Prozess der dreidimensionalen Raumerfüllung eines Proteins erfolgt teilweise spontan während der Translation, teilweise ist die Mitwirkung von Enzymen oder Chaperonen erforderlich. Auch Liganden beeinflussen die Proteinstruktur, sodass manche Proteine je nach Komplexierung mit Cofaktoren oder Substraten verschiedene Strukturen einnehmen können (siehe: Konformationsänderung). Viele Enzymaktivitäten bedingen diese Fähigkeit zur Änderung der Raumstruktur.
Störungen in der Bildung einer funktionsfähigen Raumstruktur sind Proteinfehlfaltungserkrankungen, beispielsweise eine Chorea Huntington. Mit einer Fehlbildung einer Proteinstruktur erklärte Erkrankungen stellen Prionkrankheiten (BSE) oder Alzheimer-Krankheit dar. Auch Diabetes mellitus Typ 2 beruht auf einer Proteinfehlfaltung des Amylin.[3]
Zur Aufklärung der räumlichen Proteinstruktur stehen verschiedene experimentelle Methoden zur Verfügung:
Die Vorhersage von räumlichen Proteinstrukturen erzielt gute Ergebnisse, wenn es bereits Proteine mit ähnlicher Sequenz und bekannter Struktur gibt. Dann kann man das sogenannte homology modelling verwenden, wobei die neue Sequenz auf die alte abgebildet und damit in die Struktur „eingepasst“ wird. Diese Technik ähnelt dem Sequenzalignment.
Schwieriger ist die Vorhersage, wenn noch keine ähnlichen Strukturen bekannt sind. Das Levinthal-Paradox zeigt, dass es viel zu viele mögliche Konformationen gibt, als dass man sie alle berechnen und die günstigste auswählen könnte. In der Bioinformatik sind zwar verschiedene Methoden der de novo- oder ab initio-Strukturvorhersage entwickelt worden, aber obwohl in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht wurden, gibt es bisher keine wirklich zuverlässige Methode.
Um neue Methoden zur Strukturvorhersage miteinander vergleichen zu können, gibt es seit einigen Jahren den CASP-Wettbewerb (critical assessment of techniques for protein structure prediction). In diesem Wettbewerb werden Aminosäuresequenzen von Strukturen, an denen Kristallographen gerade arbeiten, für die Teilnehmer zur Verfügung gestellt. Die Teilnehmer verwenden ihre eigenen Methoden, um die Strukturen vorherzusagen. Ein Auswertungs-Team vergleicht die Vorhersagen dann mit den experimentell ermittelten Strukturen.
Die Strukturvorhersage ist auch Ziel mehrerer Projekte des verteilten Rechnens wie z.B. Rosetta@home, POEM@home, Predictor@home, Folding@home und Human Proteome Folding Project. Das Spiel Foldit macht sich zudem zur Strukturaufklärung die Vorteile des Crowdsourcing zu nutzen.
