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Chaperone und Hitzeschockproteine

Proteinfaltung in vivo

Polypeptide falten sich häufig schon während der Synthese am Ribosom in ihre dreidimensionale Struktur, da die Information zur korrekten Faltung in der Aminosäure-Sequenz des Proteins festgelegt ist. Bis heute ist noch nicht geklärt, wie ein Polypeptid in kürzester Zeit unter den Tausenden von möglichen Konformationen die richtige Konformation einnehmen kann. Trotzdem treten bei der Faltung einer Polypeptidkette in vivo mitunter eine Reihe von Problemen auf, die eine Zelle lösen muss, und nicht in allen Fällen kann ein Protein ohne die Mithilfe anderer Proteine korrekt gefaltet werden.

Faltungsprozesse erfordern manchmal die Anwesenheit von zellulären Helferproteinen, den molekularen Chaperonen. Diese evolutionsbiologisch stark konservierten "molekularen Anstandsdamen" (engl. chaperone) findet man in allen möglichen Zellen und Zellorganellen. Dort verhindern sie den direkten Kontakt von Polypeptiden miteinander oder helfen fehlgefalteten Proteinen dabei, die korrekte Konformation einzunehmen.

Probleme treten besonders dann auf, wenn Proteine gentechnologisch produziert werden sollen. In vitro fehlen einfach die speziellen Bedingungen, die in der Zelle vorliegen, so dass die Faltung nicht korrekt ablaufen kann.

Welche Probleme können bei der Faltung neu synthetisierter Polypeptide auftreten?

  • Die Konzentration der neu synthetisierten Polypeptidketten in der Zelle ist oft sehr hoch. In E. coli beträgt die Konzentrationen an Ribosomen beispielsweise 50 µM, die lokale Konzentration des neu ungefalteten Proteine aggregieren in vitro schon bei erheblich geringeren Konzentrationen! Dies bedeutet, dass neu synthetisierte Polypeptide sehr schnell gefaltet werden müssen, um eine Aggregation zu verhindern - oder dass die Aggregation durch andere Mechanismen wie z.B. die Bindung an Chaperone verhindert werden muss.
  • Viele Proteine können sich allerdings nicht gleich nach ihrer Synthese im Cytoplasma falten, da sie als Membranproteine oder sekretierte Proteine erst an ihren Bestimmungsort gebracht werden müssen (Proteine werden im Allgemeinen im ungefalteten Zustand durch eine Membran transportiert). In vitro würden hydrophobe Membranproteine oder ganz allgemein Proteine mit exponierten hydrophoben Domänen, die mit wässerigem Milieu in Kontakt kommen, sofort aggregieren!
  • Proteine, die zu unterschiedlichen Bestimmungsorten in der Zelle gebracht werden müssen, werden nach der Biosynthese prozessiert, d.h. Signalpeptide werden bei dem Transport durch Membranen oder in das endoplasmatische Retikulum (ER) abgespalten, Protein-Untereinheiten zu Komplexen zusammengelagert oder bestimmte Aminosäurereste modifiziert. Die Abfolge dieser Ereignisse ist in der Zelle streng kontrolliert und teilweise an bestimmte Kompartimente gebunden (ER, Golgi-Apparat). In vitro lassen sich diese Schritte, an denen viele verschiedene Enzyme beteiligt sind, nur schwer vollziehen.
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