Proteinstruktur

Grundidee und Bedeutung

Die Proteinstruktur beschreibt in der Biochemie, wie ein Protein aufgebaut ist und welche räumliche Form es einnimmt. Für die räumliche Anordnung wird auch der Begriff Proteinkonformation verwendet. Änderungen dieser räumlichen Anordnung heißen Konformationsänderungen.

Die Struktur ist entscheidend für die Funktion eines Proteins. Wenn ein Protein eine fehlerhafte Struktur hat, kann seine ursprüngliche Funktion ausfallen. Die Einteilung der Proteinstruktur in mehrere hierarchische Ebenen wurde erstmals 1952 von Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang vorgeschlagen.

Strukturebenen von Proteinen

Proteine werden in vier hierarchisch angeordnete Strukturebenen eingeteilt:

• Primärstruktur: die Aminosäuresequenz, also die Abfolge der Aminosäuren in der Peptidkette.
• Sekundärstruktur: die räumliche Struktur eines lokalen Bereiches im Protein, zum Beispiel α-Helix oder β-Faltblatt.
• Tertiärstruktur: die räumliche Struktur einer Untereinheit.
• Quartärstruktur: die räumliche Struktur des gesamten Proteinkomplexes mit allen Untereinheiten.

Manche Proteine bilden zusätzlich eine über die Quartärstruktur hinausgehende „Überstruktur“ oder „Suprastruktur“. Diese ist molekular ebenso vorbestimmt wie die anderen Strukturebenen. Beispiele sind Kollagen in der Kollagenfibrille, die Strukturproteine Aktin, Myosin und Titin im Sarkomer der Muskelfibrille sowie Strukturen in den Kapsomeren des Kapsids behüllter Viren.

Entstehung und Veränderung der Raumstruktur

Die dreidimensionale Raumstruktur eines Proteins entsteht teilweise spontan während der Translation, also während der Herstellung des Proteins. Teilweise ist dafür die Mitwirkung von Enzymen oder Chaperonen nötig. Chaperone sind Hilfsproteine, die andere Proteine bei der richtigen Faltung unterstützen.

Auch Liganden beeinflussen die Proteinstruktur. Liganden sind Moleküle, die an ein Protein binden können. Manche Proteine können deshalb je nach Komplexierung mit Cofaktoren oder Substraten verschiedene Strukturen annehmen. Diese Fähigkeit zur Konformationsänderung ist für viele Enzymaktivitäten erforderlich.

Störungen bei der Bildung einer funktionsfähigen Raumstruktur werden als Proteinfehlfaltungserkrankungen bezeichnet. Beispiele im Artikel sind Chorea Huntington, BSE, Alzheimer-Krankheit und Diabetes mellitus Typ 2. Diabetes mellitus Typ 2 beruht demnach auf einer Fehlfaltung des Amylin. Krankheiten, die auf eine Fehlbildung der Proteinstruktur zurückgehen, werden Prionkrankheiten genannt. Die räumliche Struktur kann außerdem durch Denaturierung zerstört werden, zum Beispiel durch Hitze, Säuren oder Basen und ionisierende Strahlung.

Experimentelle Strukturbestimmung

Zur Aufklärung der räumlichen Proteinstruktur gibt es mehrere experimentelle Methoden.

Bei der Kristallstrukturanalyse wird meist mit Röntgenstrahlen ein Beugungsbild eines Proteinkristalls erstellt. Daraus lässt sich die dreidimensionale Struktur berechnen. Ein Problem ist, dass die Herstellung geeigneter Einkristalle sehr kompliziert ist und für einige Proteine bisher nicht möglich war. Außerdem muss die Struktur im Kristall nicht unbedingt der natürlichen Struktur entsprechen; dies wird als crystal packing bezeichnet. Für auswertbare Beugungsbilder braucht man Proteinkristalle mit einer Mindestgröße. Oft werden dafür Proteine verwendet, die von Bakterien hergestellt wurden. Diese besitzen mitunter nicht die posttranslationalen Modifikationen, die bei Proteinen höherer Organismen vorkommen.

Mit NMR-Spektroskopie kann die Struktur eines Proteins in Lösung ermittelt werden. Das entspricht eher den physiologischen, also natürlichen, Bedingungen des Proteins. Da sich die Atome in Lösung bewegen, entsteht jedoch keine einzelne eindeutige Struktur. Um trotzdem eine „eindeutige“ Struktur anzugeben, wird meist über die abgebildeten Strukturen gemittelt. Die Methode ist nicht für alle Proteine geeignet. Besonders die Größe begrenzt sie: Proteine > 30 kDa können bisher nicht analysiert werden, weil die NMR-Ergebnisse so komplex sind, dass daraus keine eindeutige Proteinstruktur abgeleitet werden kann.

Die Struktur hängt außerdem von physikochemischen Randbedingungen ab, zum Beispiel pH-Wert, Temperatur, Salzgehalt und der Gegenwart anderer Proteine. Der Stokes-Radius eines nativen Proteins oder Proteinkomplexes kann über Native-PAGE, Größenausschlusschromatographie oder analytische Ultrazentrifugation ermittelt werden. Diese Methoden können mit Quervernetzung oder einem Alanin-Scan kombiniert werden. Eine umfangreiche Sammlung experimenteller Ergebnisse zur Strukturbestimmung befindet sich in der Protein Data Bank.

Vorhersage von Proteinstrukturen

Die Vorhersage räumlicher Proteinstrukturen gelingt besonders gut, wenn es bereits Proteine mit ähnlicher Sequenz und bekannter Struktur gibt. Dann ist homology modelling möglich: Die neue Aminosäuresequenz wird auf eine bekannte Sequenz mit bekannter Struktur abgebildet und in diese Struktur „eingepasst“. Diese Technik ähnelt dem Sequenzalignment.

Schwieriger ist die Vorhersage, wenn keine Strukturen ähnlicher Aminosäuresequenzen bekannt sind. Das Levinthal-Paradox zeigt, dass die Berechnung der energetisch günstigsten Konformation wegen der sehr vielen Möglichkeiten nicht durchführbar ist. In der Bioinformatik wurden zwar große Fortschritte gemacht, und es wurden verschiedene Methoden der de-novo- oder ab-initio-Strukturvorhersage entwickelt. Trotzdem gibt es bisher keine zuverlässige Methode zur Strukturaufklärung von Proteinen.

Zum Vergleich neuer Vorhersagemethoden gibt es seit einigen Jahren den CASP-Wettbewerb, ausgeschrieben als critical assessment of techniques for protein structure prediction. Dabei erhalten Teilnehmende Aminosäuresequenzen von Strukturen, an denen Kristallographen gerade arbeiten. Sie sagen mit eigenen Methoden die Strukturen voraus. Anschließend vergleicht ein Auswertungs-Team diese Vorhersagen mit den experimentell ermittelten Strukturen.

Strukturvorhersage war oder ist auch Ziel mehrerer Projekte des verteilten Rechnens, zum Beispiel Rosetta@home, POEM@home, Predictor@home, Folding@home und das Human Proteome Folding Project. Das Spiel Foldit nutzt außerdem Crowdsourcing zur Strukturaufklärung.