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Proteinfaltung

Der gefaltete Zustand eines Proteins (N)

Bis auf wenige Ausnahmen haben Proteine nur eine einzige Konformation, in der sie stabil und aktiv sind. Die Aminosäure-Sequenz eines Proteins legt im Wesentlichen die Konformation fest, die dieses Protein unter natürlichen Bedingungen einnehmen wird. Obwohl ein neu synthetisiertes Polypeptid theoretisch sehr viele Konformationen einnehmen kann, findet man in der Natur immer wieder verwandte Grundelemente, aus denen Proteine aufgebaut sind.

Die Basiseinheit des gefalteten Zustandes ist eine Domäne, also eine Struktureinheit, die sich mehr oder weniger von allein und unabhängig von anderen Resten außerhalb dieser Domäne falten kann. Domänen sind vor allem durch ihre Sekundärstrukturen (α-Helix und β-Faltblatt) charakterisiert. Sie enthalten selten mehr als 200 Aminosäuren. Methodisch lässt sich die Konformation eines Proteins mit Hilfe verschiedener spektroskopischer Methoden, wie z. B. CD-, Fluoreszenz-, Resonanz-Raman- oder FTIR-Spektroskopie untersuchen. Ist die Bestimmung der drei-dimensionalen Anordnung eines Proteins das Ziel der Untersuchungen, so sind die Röntgenstrukturanalyse oder die NMR-Spektroskopie die Methoden der Wahl.

Abb.1

Modell einer Proteindomäne aus zwei β-Faltblättern und einer α-Helix

Was passiert, wenn sich ein Protein faltet?

Ein ungefaltetes Protein in Lösung unterliegt den größtmöglichen Interaktionen mit dem Lösungsmittel. Wenn sich das Proteinen nun faltet, werden die nicht-kovalenten Interaktionen mit dem Lösungsmittel durch intramolekulare Interaktionen ersetzt: die hydrophoben Aminosäuren bilden hydrophobe Bereiche im Inneren des sich faltenden Proteins und H-Brücken werden ausgebildet. Die beiden wichtigsten stabilisierenden Faktoren im gefalteten Protein sind die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen unpolaren Aminosäuren und die intramolekularen H-Brücken. Für nicht-polare Aminosäuren ist es energetisch günstiger, in einer unpolaren Umgebung zu bleiben anstatt mit der polaren, wässrigen Umgebung zu interagieren. Wasserstoff-Brückenbindungen haben ebenfalls einen starken Einfluss auf die Stabilität. Intramolekulare H-Brücken verleihen dabei dem Molekül mehr Stabilität als intermolekulare, die die Aminosäuren mit den Wasser-Molekülen eingehen könnten.

Stabilität des gefalteten Zustandes

Der gefaltete Zustand ist meistens nur geringfügig stabiler als der ungefaltete. Typische Werte für die Differenz der Gibbs-Energien betragen -20 bis -60 kJ/mol. Die Gleichgewichtskonstante für die N- und U-Zustände liegt im Bereich von 104 bis 107. Daraus folgt, dass sich selbst ein Protein unter optimalen Bedingungen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit komplett entfalten muss, da die Gleichgewichtskonstante das Verhältnis von Hin- zu Rückreaktion ist. Wenn sich also ein typisches Protein mit einer Rate von 1s-1 faltet, wird es mit einer Rate von 104 bis 107s-1 unter den gleichen optimalen Bedingungen komplett entfaltet werden und die Halbwertszeit dieses Proteins liegt damit zwischen 2 Stunden und 80 Tagen.

Abb.2
Abb.3

Die Enthalpie (H°)- und Entropiebeiträge (TS°) zur Gibbs-Energie des gefalteten vs. ungefalteten Zustands als Funktion der Temperatur sind in Abbildung (a) und (b) dargestellt . Die Gibbs-Energie (G°) ist nur in der linken oberen Abbildung eingezeichnet, sie entspricht der Differenz zwischen H° und TS°.

Abb.4
Abb.5

Abbildung (c) zeigt die G°- Werte für den gefalteten und ungefalteten Zustand bei verschiedenen Temperaturen. ΔG° ist die Differenz zwischen den Gibbs-Energien beider Zustände und ist damit ein Mass für die Stabilität des gefalteten Zustandes. Die ΔG°-Werte sind in Abbildung (d) dargestellt. Deutlich wird hier vor allem, dass der gefaltete Zustand bei Normalbedingungen nur wenig stabiler ist als der ungefaltete.

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