Paradoxien der Proteinstruktur: Unter der Aufsicht von Wasser

Paradoxien der Proteinstruktur: Unter der Aufsicht von Wasser
Paradoxien der Proteinstruktur: Unter der Aufsicht von Wasser
Anonim

Eine der Hauptaufgaben der modernen Biologie ist es, die Mechanismen zu verstehen, die für die F altung langer Aminosäureketten zu Proteinen mit komplexer räumlicher Gest alt sorgen. Das Wasser um sie herum könnte einen Hinweis auf dieses Problem geben.

Paradoxien der Proteinstruktur: Unter der Aufsicht von Wasser
Paradoxien der Proteinstruktur: Unter der Aufsicht von Wasser

Erinnere dich daran, dass Proteine Ketten von Aminosäuren (Polypeptiden) sind, die in eine Vielzahl von räumlichen Konfigurationen gef altet sind. Es ist diese dreidimensionale Form, die die ganze Vielf alt an Funktionen und Eigenschaften von Proteinen bereitstellt. Tatsächlich sind Polypeptide unmittelbar zum Zeitpunkt der Kettensynthese am Ribosom eher chaotische Windungen. Solche Formationen können sogar gefährlich sein – es handelt sich um pathogene Prionen.

Doch kurz darauf geschieht ein kleines Wunder. Eine riesige Molekülkette eines Polypeptids "baut" sich schnell zu einer komplexen Struktur zusammen - und erlangt die Fähigkeit, ihre Aufgaben zum Wohle von Zellen und Organismen zu erfüllen. Dieser Vorgang wird F altung genannt und ist nach Ansicht vieler Experten der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise von Proteinmolekülen.

Leider ist es unglaublich schwierig herauszufinden, wie das F alten passiert. Beachten Sie, dass, wenn wir die kürzestmögliche Aminosäurekette haben – nur zwei Aminosäuren – die räumlichen Eigenschaften dieser Verbindungen ihnen erlauben, sich auf 10 verschiedene Arten zu orientieren. Dementsprechend beträgt die Anzahl der Optionen bei drei Links bereits 103. Und so weiter.

Trotz aller Vielf alt an Möglichkeiten geht das F alten überraschend schnell. So hat eine aus drei Strängen gef altete beta-F altschicht mit 90 Aminosäuren 1090 theoretisch mögliche Konfigurationen. Wenn es 0,000000001 Sekunden dauert, um jeden von ihnen zu sortieren, reicht die gesamte Lebensdauer des Universums nicht zum F alten aus. Aber es findet die einzige gewünschte Konfiguration in 140 Nanosekunden!

Diese Tatsachen werden durch das sogenannte Levinthalsche Paradoxon zusammengefasst: "Das Zeitintervall, in dem die F altung stattfindet, ist um viele Größenordnungen kürzer, als wenn das Polypeptid einfach alle möglichen Konfigurationen durchlaufen würde." Mit anderen Worten, hier geht es nicht um die übliche Aufzählung, sondern um das Wirken einiger Faktoren. Was?

Dazu gibt es eine Reihe mehr oder weniger begründeter Hypothesen und Vermutungen. Eine der bekanntesten Aussagen ist, dass schnelle F altung das Ergebnis natürlicher Selektion ist: Während des Evolutionsprozesses bleiben nur solche Proteine erh alten, die schnell die gewünschte Form annehmen, was anscheinend einen vorteilhaften Zustand mit minimaler Energie für das Molekül darstellt. Dementsprechend sollte der F altvorgang aus energetischer Sicht wie eine Art Trichter aussehen, der sich schnell auf die einzig richtige Konfiguration verengt.

Aber diese Version stimmt nicht mit einer einfachen Tatsache überein. Dabei sollte die energetisch günstigste Normalstruktur des Proteins bei sinkender Temperatur „erh alten“und sogar stabiler werden. Und wir wissen, dass dies nicht der Fall ist: Beim Abkühlen verlieren die meisten Proteine ihre aktive räumliche Konfiguration.

Die Auflösung dieser Widersprüchlichkeit wurde kürzlich von dem französischen Forscher Olivier Collet vorgeschlagen - er näherte sich dem Thema "von der Seite des Lösungsmittels", in der fast alle biologischen Prozesse ablaufen. Das ist Wasser. Der Wissenschaftler stellt fest, dass die Proteinf altung nicht isoliert von der Umwelt stattfindet. Die Aminosäurekette ist von zahlreichen kleinen Wassermolekülen umgeben. Darüber hinaus kann man mit Recht sagen, dass sich um das schwach daran gebundene Polypeptid eine dünne „Hülle“aus Wasser befindet. Also schlug Kohl vor, das Verh alten dieser Schicht und ihre Wirkung auf das Polypeptid zu betrachten.

Das erste, was einem auffällt, sind die Wasserstoffbrückenbindungen, die Wasser mit Aminosäuren bildet, besonders polare Aminosäuren haben viele davon. Solange die Temperatur hoch bleibt, brechen diese schwachen Bindungen leicht und bilden sich wieder, alles geht sehr schnell. Aber mit einem Temperaturabfall bleibt die Energie der molekularen Bewegung viel geringer und das Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen tritt viel seltener auf. In dieser Form, mit Wasser behängt, wie ein altes Schiff mit Muscheln, findet sich das Eichhörnchen in einer ganz anderen Energie-„Landschaft“wieder, mit eigenen Höhen und Vertiefungen. Anstatt wie oben beschrieben in einen Trichter zu fallen, landet es am Boden eines völlig anderen Energieminimums.

Diese Berechnungen scheinen das Problem der Niedrigtemperatur-Proteindenaturierung zu lösen. Und vor allem achten sie darauf, dass die Lösung des F alträtsels nicht zu finden ist, ohne die Umgebung zu berücksichtigen, in der sich die Proteine bei diesem Prozess befinden. Wir müssen die Eigenschaften von Wasser selbst auf molekularer Ebene und seine Wechselwirkungen mit Polypeptiden besser kennen. Und natürlich, um moderne Elektronik zu Hilfe zu rufen - zum Beispiel Spielkonsolen. Lesen Sie: "Spiele mit Mutter Natur."

Empfohlen: