Proteinstruktur
Als Proteinstruktur bezeichnet man die dreidimensionale Struktur eines Proteins, die sich in Tertiär- und Quartärstruktur unterteilt. Die Tertiärstruktur ist dabei die Struktur, die ein gefaltetes, aus einer einzigen Aminosäure-Kette bestehendes Protein unter physiologischen Bedingungen einnimmt, während sich die Quartärstruktur aus der Anlagerung mehrerer Proteine aneinander ergibt. Die einzelnen Proteine werden hierbei als Untereinheiten bezeichnet; häufig können sie nur in Kombination miteinander funktionieren.
In der Zelle ergibt sich die 3d-Struktur eines Proteins durch die Faltung während und nach der Proteinsynthese an den Ribosomen. Die Struktur ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil sie die Funktion des Proteins bestimmt. Es gibt Proteine, die eine sehr verschiedene Primärstruktur (Aminosäuresequenz), aber eine ähnliche Tertiär- oder Quartärstruktur und damit auch eine ähnliche Funktion haben. In Medizin und Pharmazie kann man dies ausnutzen, da Medikamente mit den Proteinen im Körper des Patienten interagieren müssen, oft als Liganden oder Inhibitoren, die in bestimmte "Taschen" des Proteins passen und damit seine Funktion beeinflussen können.
Strukturbestimmung
Zur Aufklärung der Proteinstruktur stehen verschiedene experimentelle Methoden zur Verfügung:
- Bei der Kristallstrukturanalyse wird - meist mittels Röntgenstrahlen ein Beugungsbild eines Proteinkristalls erstellt, aus dem sich dann die dreidimensionale Struktur errechnen lässt. Es ist allerdings recht kompliziert, die hierfür benötigten Einkristalle herzustellen, für manche Proteine ist es bisher unmöglich. Ein weiteres Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass die Struktur des Proteins im Kristall nicht unbedingt der natürlichen Struktur entspricht, da sich z.B. durch die Kristallisierung neue Kontakte bilden, die sonst nicht vorhanden wären (crystal packing). Für auswertbare Beugungsbilder ist eine Mindestgröße der Proteinkristalle erforderlich. Um die erforderliche Substanzmenge zu erhalten, wird oft auf von Bakterien hergestellte Proteine zurückgegriffen, welche mitunter nicht die im Menschen vorhandenen posttranslationalen Modifikationen aufweisen.
- Mittels NMR kann die Struktur eines Proteins in Lösung ermittelt werden, was näher an den physiologischen ("natürlichen") Bedingungen ist. Hierbei ergibt sich keine eindeutige Struktur, da sich die Atome des Proteins in diesem Zustand bewegen. Um eine "eindeutige" Struktur zu erhalten, wird meist über die abgebildeten Strukturen gemittelt. Auch NMR kann bisher nicht für alle Proteinarten durchgeführt werden. Insbesondere die Größe ist hier ein begrenzender Faktor, denn Proteine > 30kD können bisher nicht analysiert werden, da die NMR-Ergebnisse zu komplex sind und man daraus keine eindeutige Proteinstruktur mehr ablesen kann.
Strukturvorhersage
Die Vorhersage von Proteinstrukturen erzielt gute Ergebnisse, wenn es bereits Proteine mit ähnlicher Sequenz und bekannter Struktur gibt. Dann kann man das sogenannte homology modelling verwenden, wobei die neue Sequenz auf die alte abgebildet und damit in die Struktur "eingepasst" wird. Diese Technik ähnelt dem Sequenzalignment.
Schwieriger ist die Vorhersage, wenn noch keine ähnlichen Strukturen bekannt sind. Das Levinthal-Paradox zeigt, dass es viel zu viele mögliche Konformationen gibt, als dass man sie alle berechnen und die günstigste auswählen könnte. In der Bioinformatik sind zwar verschiedene Methoden der de novo- oder ab initio-Strukturvorhersage entwickelt worden, aber obwohl in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht wurden, gibt es bisher keine wirklich zuverlässige Methode.
Um neue Methoden zur Strukturvorhersage miteinander vergleichen zu können, gibt es seit einigen Jahren den CASP-Wettbewerb (critical assessment of techniques for protein structure prediction). In diesem Wettbewerb werden Aminosäuresequenzen von Strukturen, an denen Kristallographen gerade arbeiten, für die Teilnehmer zur Verfügung gestellt. Die Teilnehmer verwenden ihre eigenen Methoden, um die Strukturen vorherzusagen. Ein Auswertungs-Team vergleicht die Vorhersagen dann mit den experimentell ermittelten Strukturen.
Siehe auch: