Proteinfaltung

Protein folding

Proteinfaltung ist der spontane oder unterstützte Prozess der Faltung einer Polypeptidkette in eine charakteristische und funktionale dreidimensionale Proteinstruktur (Konformation).

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:

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.

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“).