Von alten zu neuen Modellen: Energielandschaften und Faltungstrichter

Aus den Experimenten, die C. Anfinsen und andere nach ihm durchgeführt haben, konnte gefolgert werden, dass die native Struktur von Proteinen einen thermodynamisch stabilen Zustand darstellt und damit dem globalen Minimum der ihnen zugänglichen Gibbs-Energie entspricht. C. Levinthal hat das Paradox aufgeworfen, dass ein Protein aber gar nicht genug Zeit hat, um zufällig die Nadel im Heuhaufen (bzw. das Loch im Golfplatz, s.u.) zu finden. Trotzdem schafft es eine beliebige Zelle spielend, im Bruchteil einer Sekunde ein einzelnes Protein-Molekül zusammenzubauen und korrekt zu falten.

Die Energielandschaft Abb.1 Betrachtet man das Levinthal-Paradox im Zusammenhang mit Energieflächen (energy landscapes), so könnte man sich vielleicht einen riesigen, völlig ebenen Golfplatz mit einem einzigen Loch vorstellen. Der Rasen würde dem ungefalteten Zustand entsprechen, bei dem das Protein zufällig (random coil) zwischen allen möglichen, im Idealfall energetisch gleichen, Konformationen quasi herumrollen könnte (=große Konformationsentropie). Nur wenn es irgendwann einmal auf das Loch träfe, würde es in den nativen, energetisch günstigeren (aber entropisch sehr eingeschränkten) Zustand fallen.

Levinthals Antwort war, dass es einen bestimmten Pfad (folding pathway) geben muss, dem ein Protein bei seiner Faltung folgt und auf dem es dadurch genügend schnell an sein Ziel kommt. Ein Protein-Molekül, das sich im denaturierten Zustand (U) befindet, würde unter geeigneten Bedingungen unweigerlich eine vorgegebene Folge von Konformationen (Zwischenzuständen) durchlaufen, bis es in den nativen Zustand (N) gelangt.

Der Faltungsweg Abb.2 Eine der Fragen, die durch diese Betrachtungsweise aufgeworfen wird, ist die nach der Kontrolle des Faltungsprozesses. Wird die Reaktionsfolge eher thermodynamisch oder kinetisch kontrolliert? Gemäß Anfinsens Hypothese würde eine thermodynamische Kontrolle voraussetzen, dass die Faltung pfadunabhängig verläuft. Dies sollte auch dann so sein, wenn von verschiedenen Denaturierungsbedingungen bei ein und demselben Protein ausgegangen wird. Am Ende sollte die gleiche native Struktur erreicht werden. Nach Levinthals Vorstellung bedeutet kinetische Kontrolle, dass der Faltungsprozess sehr schnell abläuft, weil er pfadabhängig ist, jedoch dadurch möglicherweise auch nur ein lokales Minimum erreicht wird.

Die neue Vorstellung von der Proteinfaltung (in der Fachsprache der Faltungstheoretiker auch new view genannt) kann diesen (scheinbaren) Widerspruch aufheben und damit das Levinthal-Paradox auflösen. Sie beruht auf Fortschritten sowohl bei experimentellen Methoden als auch bei theoretischen Modellen. Insbesondere Modelle aus der statistischen Mechanik erlauben eine Blickweise, die das Pfadkonzept eines sequentiellen Faltungsprozesses ersetzt durch ein Trichter-Konzept von parallelen Ereignissen. Danach werden die makroskopischen Größen, die experimentell bestimmt werden, als Faltungsindikatoren (wie z.B. spektroskopische Parameter) verstanden, als Ergebnis eines Ensembles mikroskopischer Zustände, die durchaus unterschiedlich sein können.

Der Faltungstrichter Abb.3 Abb.4 Der ideale Weg: K. Dill verwendet in einem Übersichtsartikel das Bild von Skifahrern, die sich auf unterschiedlichen Lagen in einem Gebirge befinden. Dies würde dem denaturierten Zustand entsprechen, in dem die einzelnen Proteinmoleküle alle möglichen Zufallsknäuel-Konformationen - und damit verschiedene Punkte auf der Energielandschaft - einnehmen können. Unter Faltungsbedingungen fährt jeder Skifahrer seinen eigenen, individuellen Weg, der aber doch hauptsächlich abwärts führt und dadurch kommen alle sehr rasch im Tal an, wenn auch auf verschiedenen Routen. Mit anderen Worten: Eine einfache Lösung für das Golfplatz-Problem ist schlicht und einfach das Gelände so zu gestalten, dass es, egal von welchem Ausgangspunkt aus, abschüssig auf das Loch zuläuft. Der reale Weg: Die Realität sieht - wie so oft - wahrscheinlich um einiges komplizierter aus. Die meisten Proteinmoleküle werden auf ihrem Weg zum gefalteten Zustand wohl nicht einfach einen glatten Trichter hinunterrutschen, sondern eher eine zerklüftete und schroffe Landschaft vorfinden, in der alle möglichen Unebenheiten, Gräben, Schwellen und Mulden zu überwinden sind, bevor sie glücklich im Tal landen (wie das für Skifahrer in einem Gebirge tatsächlich auch gilt).

Vielleicht gehen (manche) Proteine auch einen Mittelweg zwischen dem Pfad- und Trichter-Modell. In Moleküldynamik-Untersuchungen der Gruppe von M. Karplus wurde die Entfaltung des Chymotrypsin Inhibitor 2 simuliert. Es ist bekannt, dass dieser Inhibitor ein Zwei-Zustandsverhalten zeigt, wobei der gleiche Übergangszustand für Faltung und Entfaltung durchlaufen wird. Die Simulationen ergaben, dass eine große Vielfalt der einzelnen Faltungswege mit teilweise großen strukturellen Unterschieden zu beobachten war, was dem new view entsprechen würde. Aber trotzdem ließ sich ein statistisch bevorzugter Entfaltungs-Pfad erkennen. Insofern konnten das alte und neue Konzept zusammengeführt werden, indem zwar eine Trichter-ähnliche Energielandschaft vorliegt, auf der jedoch ein bestimmter Pfad bevorzugt beschritten wird.

Die Abbildungen wurden modifiziert nach K. Dill et al. (http://www.dillgroup.ucsf.edu).