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Tutorial MenueProteinfaltungLerneinheit 2 von 4

Proteinfaltung

Von der Reaktionskoordinate zur Energielandschaft

Bei einer einfachen chemischen Reaktion treten oft nur Veränderungen in wenigen Bindungen auf. Häufig lassen sich auch stabile Zwischenprodukte isolieren, die Aufschluss über den Reaktionsmechanismus geben. Üblicherweise wird der Ablauf dargestellt, indem man die Gibbs-Energie als Funktion der Reaktionskoordinate aufträgt . Der klassische Blick auf die Proteinfaltung orientierte sich ebenfalls an diesem Konzept der Faltungspfade (pathways), um den Weg eines Proteins vom ungefalteten in den gefalteten Zustand zu beschreiben. Dies beruht auch auf Ergebnissen aus Faltungsexperimenten, mit denen bestimmte makroskopische Größen analysiert wurden.

Was allerdings die Analyse erheblich komplexer und schwieriger macht, ist die Tatsache, dass in diesem Fall ein gesamtes Makromolekül seine Struktur verändert, indem tausende von schwachen nicht-kovalenten Wechselwirkungen neu geknüpft oder gebrochen werden. Eine astronomische Zahl von verschiedenen Konformationen muss berücksichtigt werden. Besonders der denaturierte Zustand ist schwer zu erschließen, da er ein Ensemble von schlecht definierbaren und rasch fluktuierenden Konformationen darstellt. Trotzdem ist der Experimentator gezwungen, die gleiche Strategie zu verfolgen wie es bei einer einfachen chemischen Reaktion der Fall wäre: die Strukturen und Energien aller stabilen (und metastabilen) Zustände und Übergangszustände möglichst genau zu bestimmen und die Kinetik und Reihenfolge entlang der Reaktionskoordinate zu ermitteln.

Abb.1
Das Energiediagramm

Energiediagramm für die Faltung eines bestimmten Proteins: Die Gibbs-Energie G wird als Funktion einer Reaktionskoordinate aufgetragen. In diesem Fall steht Q für die Fraktion der paarweisen Kontakte, die im nativen Zustand vorliegen. Vom ungefalteten Zustand geht es energetisch bergab, bis ein relativ kompakter Zustand erreicht wird, der in diesem Fall als Zwischenprodukt (molten globule) isoliert werden könnte. Dann muss noch ein Übergangszustand durchlaufen werden, um schließlich im nativen Zustand zu enden.

Denkt man sich nun die einzelnen Zustände (bis auf den nativen) nicht als eine wohl definierte Struktur (wie es bei einer einfachen chemischen Reaktion der Fall wäre), sondern jeweils als ein Ensemble von vielen heterogenen Konformationen, deren zugänglicher Konformationsraum jedoch mehr und mehr eingeschränkt wird, dann ist man gar nicht mehr so weit vom Bild der Energielandschaft entfernt. Insofern könnte die Kurve einen (von vielen) möglichen Pfaden darstellen, um die Trichterwand entlang ins Tal zu gelangen. Beim Konzept des Faltungstrichters kommt nun noch dazu, dass die Weite des Trichters als Maß für die Entropie und Q als zusätzliche Ordinate verstanden wird, die jedoch in der Regel nicht linear mit der Gibbs-Energie verläuft.

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