Protein Faltung

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allgemeine Betrachtung

Die Proteinsynthese erfolgt in einem hochkonzentriertem System. Faltungsprozess:

  • Rotation um C-N und C-C Bindungen
  • Wasserstoffbrücken-Bindungen
  • hydrophobe und elektrostatische Wechselwirkungen
  • Verdrängen von Wasser

Die Voraussetzung für eine Faltung ist die genaue Balance von Energie und Entropie: Ergebnis ist eine verringerte Gibbssche Energie \( \Delta G \)

energetische Betrachtung

  1. H-Brücken: N-H \( \cdots \) H-; N-H \( \cdots \) O=C; O-H \( \cdots \) O=C die Bindungslänge beträgt \( \sim 3A \) und der Energiegewinn \( 10-20 \frac{kJ}{mol} \) die H-Brücken bilden sich Proteinintern nur in Abwesenheit von Wasser
  2. Elektrostatische Wechselwirkungen lassen sich durch das Coulombsche Gesetz beschreiben: \[ E=F*r=\frac{q_1 * q_2 *k}{D*r} \] ( \( D= \) Dielektr. Konstante) und ( \( r= \) Abstand der Ladungszentren)
  3. hydrophobe WW: es besteht die Tendenz, Wasser von den hydrophoben Seitenketten fern zuhalten. Eine Quatifizierung ist aber nur empirisch möglich

Die Kodierung der Proteinfaltung befindet sich alleinig in der Sequenz und damit in der Abfolge der AS-Seitenketten. Die hydrophoben WW im Faltungszentrum bestimmen den Beginn der Faltung und die polaren Gruppen bestimmen die Protein-Oberfläche durch die WW mit Wasser. Polare Gruppen im Zentrum brauchen Gegenionen. Die Kooperativität ist gering.

Levinthal-Paradoxon

Die Anzahl der Faltungsmöglichkeiten steigt mit der Länge der AS-Kette exponentiell. Bei einem "random coil" mit freier Drehbarkeit der Bindungen würde die zufällig richtige Faltung statistisch \( 10^{30} \) Jahre dauern, bei einem Protein mit 150 AS. Daraus lässt sich erkennen, dass die Rotationen eingeschränkt sind. Chaperone wirken faltungsbeschleunigend.

Ramachandran-Plot

Quelle: Wikimedia, Dcrjsr

Das Ramachandran-Diagramm stellt die statistische Verteilung der Kombination von 2 Diederwinkeln ( \( \varphi \) und \( \psi \) ) dar. \( \varphi \) : Rotation um C-C \( \psi \) : Rotation um C-N. Aus dem Plot lässt sich die Sekundärstrucktur ableiten, da \( \alpha \) -Helix und \( \beta \) -Faltblätter definierte Winkel bevorzugen.

Faltungstypen

  1. monophasische Faltung: es existieren keine stabilen Zwischenzustände und es ist nur ein Übergang mess- und beobachtbar
  2. multiple Faltung = Jigsaw Puzzle: kommt bei großen Proteinen \( > \) 100 AS vor.
    1. schnelle "burst phase" --> Kondensationsprozess zu metastabilen Intermediaten. molten globe
    2. mehrer langsame Faltungsphasen zum global minimum