Proteinstruktur

Den proteinstruktur er delt inn i forskjellige strukturelle nivåer i biokjemi . Inndelingen i et hierarki av primær struktur ( aminosyresekvens ), sekundær struktur , tertiær struktur og kvartær struktur ble først foreslått i 1952 av Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang . Når det gjelder den romlige ordningen av et protein, brukes begrepet proteinkonformasjon synonymt. Endringer i den romlige proteinstrukturen kalles konformasjonsendringer . Proteinstrukturen er ekstremt viktig for proteinets funksjon. En feil proteinstruktur kan føre til svikt i den opprinnelige proteinfunksjonen.

Hierarkiet av strukturelle nivåer

Bretting og struktur av 1EFN-proteinet

I biokjemi er det fire hierarkisk ordnede strukturelle nivåer i proteiner :

Noen proteiner ordner seg også i en "overbygning" eller "overbygning" som går utover kvaternær struktur. Dette er molekylært like forhåndsbestemt som de andre strukturelle nivåene. Eksempler på suprastrukturer er kollagen i kollagenfibrillen, aktin , myosin og titin i sarkomeren i muskelfibrillen , og capsomerer i kapsiden av innhyllede virus .

Dannelse av en romlig struktur

Prosessen med tredimensjonalt romfylling av et protein foregår delvis spontant under oversettelse , dels er samarbeid mellom enzymer eller kaperoner nødvendig. Også ligander påvirker proteinstruktur slik at en del proteiner avhengig av kompleksdannelse kan ta med kofaktorer eller substrater forskjellige strukturer (se: konformasjonsendring ). Denne evnen til å endre den romlige strukturen er nødvendig for mange enzymaktiviteter.

Forstyrrelser i dannelsen av en funksjonell romlig struktur blir referert til som proteinfoldfoldsykdommer . Et eksempel på dette er Huntingtons sykdom . Sykdommer som kan spores tilbake til en misdannelse i proteinstrukturen kalles prionsykdommer . BSE eller Alzheimers sykdom er eksempler på slike sykdommer. Dessuten er diabetes mellitus type 2 en proteopati, den er basert på en feil folding av amylinen . Den romlige strukturen kan også ødelegges av denaturering på grunn av varme, syrer eller baser og ioniserende stråling .

Strukturbestemmelse

Eksempler på proteinstrukturer fra PDB

Forskjellige eksperimentelle metoder er tilgjengelige for å belyse den romlige proteinstrukturen:

  • I krystallstrukturanalyse opprettes et diffraksjonsbilde av en proteinkrystall - vanligvis ved hjelp av røntgenstråler - hvorfra den tredimensjonale strukturen deretter kan beregnes. Produksjonen av de enkle krystallene som kreves for dette er veldig komplisert og har ennå ikke vært mulig for noen proteiner. Et annet problem med denne metoden er at strukturen til proteinene i krystallet ikke nødvendigvis tilsvarer den naturlige strukturen ( krystallpakking ). En minimumsstørrelse på proteinkrystallene kreves for evaluerbare diffraksjonsbilder. For å oppnå den nødvendige mengden stoff brukes ofte proteiner som ble produsert av bakterier. Disse har noen ganger ikke de posttranslasjonelle modifikasjonene som finnes i proteiner fra høyere organismer .
  • Strukturen til et protein i løsning kan bestemmes ved hjelp av NMR-spektroskopi , som samsvarer nærmere med de fysiologiske ("naturlige") forholdene til proteinet. Siden atomer av proteinet beveger seg i denne tilstanden, er det ingen klar struktur. For å oppnå en "klar" struktur, blir de viste strukturene vanligvis beregnet i gjennomsnitt. Inntil nå kan ikke NMR-spektroskopi utføres for alle typer proteiner. Spesielt størrelsen er en begrensende faktor her. Proteiner> 30  kDa kan ennå ikke analyseres fordi NMR-resultatene er så komplekse at ingen klar proteinstruktur kan utledes fra dem.
  • Strukturen avhenger av forskjellige fysisk-kjemiske grenseforhold (som pH , temperatur , saltinnhold , tilstedeværelse av andre proteiner). Den radius Stokes av et naturlig protein eller et proteinkompleks , kan bestemmes via nativ PAGE , størrelses-eksklusjonskromatografi , eller ved hjelp av analytisk ultrasentrifugering . Disse metodene kan kombineres med en tverrbinding eller en alaninskanning .

En omfattende samling av resultater fra eksperimenter med strukturbestemmelse finnes i Protein Data Bank .

Strukturforutsigelse

Forutsigelsen av romlige proteinstrukturer oppnår gode resultater når proteiner med en lignende sekvens og kjent struktur allerede eksisterer. Dette muliggjør såkalt homologimodellering , der den nye sekvensen blir kartlagt på sekvensen, hvis struktur er kjent, og dermed "montert" i strukturen. Denne teknikken ligner på sekvensjustering .

Forutsigelsen er vanskeligere hvis ingen strukturer av lignende aminosyresekvenser er kjent. De LEVINTHAL paradoks viser at beregningen av den energetisk gunstigste konformasjon er ikke gjennomførbart på grunn av de mange muligheter. I bioinformatikk har det blitt gjort store fremskritt de siste årene, og ulike metoder for de novo - eller initio ab - utviklet -Strukturvorhersage. Imidlertid er det foreløpig ingen pålitelig metode for å belyse strukturen til proteiner.

CASP- konkurransen ( kritisk vurdering av teknikker for prediksjon av proteinstruktur ) har vært på plass i flere år for å kunne sammenligne nye metoder for strukturforutsigelse . I denne konkurransen blir aminosyresekvenser av strukturer som krystallografer for tiden jobber med gjort tilgjengelig for deltakerne. Deltakerne bruker sine egne metoder for å forutsi strukturene. Et evalueringsteam sammenligner deretter spådommene med de eksperimentelt bestemte strukturene.

Strukturprognosen var eller er også målet for flere prosjekter med distribuert databehandling som B. Rosetta @ home , POEM @ home , Predictor @ home og Folding @ home samt Human Proteome Folding Project . Spillet Foldit benytter seg også av fordelene med crowdsourcing for å tydeliggjøre strukturen .

kilder

  1. ↑ Linderstrøm-Lang, KU (1952): Proteiner og enzymer . I: Lane Medical Lectures . Bind 6, s. 1-115. Stanford University Publications, University Series, Medical Sciences, Stanford University Press.
  2. ↑ Christian B. Anfinsen mottok Nobelprisen for kjemi i 1972 "for sitt arbeid med ribonuklease, spesielt sammenhengen mellom aminosyreserier og biologisk aktive konformasjoner" (offisiell grunn til tildelingen av Det Kongelige Svenske Vitenskapsakademiet )
  3. ↑ Jeremy M. Berg , John L. Tymoczko , Lubert Stryer , Gregory J. Gatto, Jr .: Stryer Biochemistry . 7. utgave. Springer Spectrum, 2013, ISBN 978-3-8274-2988-9 , pp. 25-59 .
  4. ↑ L. Skora: Høy oppløsning karakterisering av strukturelle endringer som er involvert i prionsykdommer og dialyserelatert amyloidose. (PDF; 4.6 MB) Avhandling, Georg-August-Universität Göttingen, 2009, s. Iii.

weblenker