Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
H. Fiedler

Proteinfaltung

Proteinfaltung
Englischer Begriff
Protein folding
Definition
Proteinfaltung ist der spontane oder unterstützte Prozess der Faltung einer Polypeptidkette in eine charakteristische und funktionale dreidimensionale Proteinstruktur (Konformation).
Beschreibung
Aus der Aminosäuresequenz lässt sich die dreidimensionale Struktur nicht sicher voraussagen, obwohl viele Computermodelle entwickelt wurden. Proteine bilden meist einen inneren hydrophoben Kern mit Wasserstoffbrückenbindungen (s. Wasserstoffbrückenbindung) und eine Oberfläche mit polaren Seitenketten. Das Minimum der freien Enthalpie ist sehr flach und unterscheidet sich nur wenig von Nebenminima von fast gleicher freier Enthalpie. Kleine Proteine oder einzelne Domänen benötigen für die Faltung nur Millisekunden, wie es C. B. Anfinsen (1916–1995) bereits 1972 an denaturierten Peptiden festgestellt hatte. Cyrus Levinthal stellte 1969 dar, dass aufgrund der freien Drehbarkeit in der linearen Peptidkette theoretisch eine astronomische Zahl von Konformationen möglich wäre und die Faltungszeit sich bis in Stunden erstrecken könnte (Levinthal-Paradox). Dagegen sind begrenzte Domänen in Millisekunden gefaltet und deshalb oft Teile eines Zwischenzustandes („molten globule“), wodurch die Faltungsgeschwindigkeit auch größerer Moleküle in den Sekundenbereich beschleunigt wird. Es kommt zum „hydrophoben Kollaps“, der die hydrophoben Bereiche in das Innere verlagert. Die Kinetik ist auch von den Umgebungsbedingungen abhängig: Temperatur, Lösungsmittel, pH- und Ionenstatus sowie von der Konzentration der beteiligten Komponenten. Aktiv unterstützt wird die Faltung durch Chaperone und Chaperonine, die auch die besonders wichtige Funktion haben, die Aggregation (Amyloid) un- oder fehlgefalteter Proteine zu verhindern bzw. Aggregate zu entfalten. Außerdem sind Enzyme für die Faltung von Proteinen mit Disulfidbindungen und hohen Prolingehalten notwendig, wie Proteindisulfid-Isomerasen mit 2 Thioredoxineinheiten (s. Thioredoxine) und Peptidyl-Prolyl-cis-trans-Isomerasen.
Biosynthese und Faltung sekretorischer Proteine finden im endoplasmatischen Retikulum (ER) statt, wenn ein Signalpeptid für die Anheftung an die Membranen des ER („signal recognition particle receptor“) sorgt. Das hydrophobe Signalpeptid wird bereits während der Translation (cotranslational) wieder abgespalten. Die meisten Proteine des Endomembransystems werden cotranslational über Signalankersequenzen und Stopptransfersequenzen in die Membran des ER verankert. Im Zytosol werden Proteine an freien Ribosomen synthetisiert und verbleiben im Zytosol oder werden nach Ent-und Refaltungsprozessen mittels Translokalisationssequenzen in Zellkern, Peroxisomen und Mitochondrien transportiert. Im ER und besonders im Golgi-Komplex kann die Faltung mit posttranslationaler Glykosylierung und anderen Modifizierungen verbunden sein.
Nur richtig gefaltete Proteine können fehlerfrei funktionieren. Aber bis 30 % aller Peptide und Proteine werden zunächst falsch gefaltet und müssen entfaltet und erneut gefaltet oder bei Erfolglosigkeit entfernt werden. Die Ursachen für Fehlfaltungen sind vielfältig:
  • Genmutationen und/oder Fehler bei Transkription, Translation oder posttranslationalen Modifizierungen, was auch als defekte ribosomale Produkte zusammengefasst wird
  • Toxische Einflüsse, wie ionisierende Strahlung, oxidativer und nitrosativer Stress, Alterungsprozesse und endoplasmatischer Retikulumstress
  • Abhängigkeit von der Synthesegeschwindigkeit oder dem komplexen Aufbau des Proteins
  • Defekte oder Fehlen der Faltungshelfer
  • Induzierte Falschfaltung wie bei Prionen; der Mechanismus wird auch bei anderen neurotoxischen Proteinen diskutiert
Zur Untersuchung der Faltungsvorgänge wurde die Röntgenkristallografie durch Circulardichroismus-Spektroskopie, nuklearmagnetische Resonanzspektroskopie mit Wasserstoff-Deuterium-Austausch oder „fast time-resolved techniques“ (Neutronenstreuung, ultraschnelle Mischung von Lösungen und Laser-Temperatursprung-Spektroskopie) ersetzt.
Die Qualität der Faltung (Proteinqualitätskontrolle) wird durch Korrekturlesen („proof-reading“) mit Chaperonen, wie HSP70, und Chaperoninen sowie durch noch andere Komponenten überprüft. Störungen zwischen Proteinfaltung, Aggregatbildung und Abbau führen zu Proteinfehlfaltungskrankheiten (Proteinopathien). Ein bekanntes Beispiel ist der „cystic fibrosis transmembrane conductance regulator“ (CFTR) mit 21 transmembranen Domänen. Der Faltungsprozess des nativen Moleküls benötigt 2 Stunden und nur 30 % falten schnell genug, um dem Abbau („unfolded protein response“) zu entgehen. Durch die ΔF508-Mutation wird die Faltung weiter verzögert, das fehl- bzw. ungefaltete Protein komplett abgebaut und der Chloridkanal nicht ausgebildet, was das Krankheitsbild der Mukoviszidose zur Folge hat („loss-of-function“).Ein weiteres bekanntes Beispiel ist die Fehlfaltung von α1-Antitrypsin bei Mutationen im SERPINA1-Gen. Dadurch wird die Sezernierung des Proteins aus der Leber gestört („loss-of-function“: Hemmung der Leukozyten-Elastase in der Lunge). Die Aggregation des Proteins in der Leberzelle führt zu Leberzirrhose („gain-of-toxic function“). Proteinaggregate und/oder ihre Vorstufen führen zu neurodegenativen Erkrankungen, wie Alzheimer- und Parkinson-Krankheit oder Huntington-Erkrankung. Fehlfaltungen können auch Allergien auslösen, da für bestimmte Proteinstrukturen keine Antikörper gebildet werden.
Proteinfehlfaltungskrankheiten sind bisher nicht direkt behandelbar. Molekulare oder chemische Chaperone sind in Entwicklung: Sapropterin für Phenylketonurie und 1-Desoxygalactonojiimycin für Morbus Fabry.
Intrinsically disordered proteins“ bzw. „intrinsically disordered regions“ (Proteinstruktur) haben zwar flexible Strukturen, zählen aber nicht zu den falsch gefalteten Proteinen (Zea et al. 2016). Sie haben evolutionäre und funktionelle Vorteile gegenüber „ordered proteins“: multifunktionell, erleichterte Bindung an andere Proteine mit geringer Affinität (reversibel, regulatorisch, Signalfunktion). Ihre Struktur erschwert die Aggregation.und begünstigt die posttranslationale Modifizierung und Enzymbindung („induced fit“).
Literatur
Anfinsen CB (1972) The formation and stabilization of protein structure. Biochem J 128:737–749CrossRef
Luheshi M, Crowther DC, Dobson CM (2008) Protein misfolding and disease: from the test tube to the organism. Curr Opin Chem Biol 12:25–31CrossRef
Müller M, Graeve L (2014) Proteine – Transport, Modifikation und Faltung. In: Heinrich H, Müller M, Graeve L (Hrsg) Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie. Springer Medizin, Berlin/Heidelberg, S 615–628CrossRef
Stoppini M, Obici L, Francesca L et al (2009) Proteomics in protein misfolding diseases. Clin Chem Lab Med 47:627–635CrossRef
Zea DJ, Monzon AM, Gonzalez C et al (2016) Disorder transitions conformational diversity cooperatively modulate biological function in proteins. Protein Sci 25:1138–1148CrossRef