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Wasser löst Proteinfaltungsproblem
Eine der großen Herausforderungen in der Molekularbiologie besteht darin, zu verstehen, wie sich Proteine zu komplexen 3D-Formen falten.
Proteine sind Ketten von Aminosäuren, die von verschiedenen molekularen Maschinen in Zellen hergestellt werden. Wenn sich Proteine zum ersten Mal bilden, sind sie zufällige Spulen. In diesem Zustand sind sie bestenfalls gutartig und schlimmstenfalls giftig – die Prionen, die Probleme wie den Rinderwahnsinn verursachen, sind missgestaltete Proteine.
Doch kurz darauf geschieht ein kleines Wunder. Diese riesigen Molekülketten fügen sich schnell selbst zu komplexen 3D-Formen zusammen, die es ihnen ermöglichen, ihre Aufgaben innerhalb der zellulären Maschinerie zu erfüllen.
Diese Leistung ist so erstaunlich, es lohnt sich, darauf zu verweilen.
Wenn zwei Aminosäuren eine Bindung eingehen, können sie eine von etwa zehn verschiedenen Orientierungen zueinander annehmen. Eine Kette von 3 Aminosäuren kann also 10^3 verschiedene Formen haben.
Das bisher am schnellsten entdeckte Faltungsprotein ist eine Struktur, die als 3-strängiges Beta-Faltblatt bezeichnet wird. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine Oberfläche, die aus drei Proteinsträngen besteht, die sich miteinander verbinden. Insgesamt enthalten diese Blätter bis zu 90 Aminosäuren und können theoretisch jede von 10^90 verschiedenen Formen annehmen.
Wenn diese Formen mit einer Geschwindigkeit von 100 Milliarden pro Sekunde ausprobiert würden, würde es länger dauern als das Alter des Universums, um die richtige Falte zu finden. Und doch bildet sich das 3-strängige Beta-Sheet in nur 140 Nanosekunden.
Es wäre weniger überraschend, ein paar Metall- und Plastikklumpen im Hinterhof zu lassen und am nächsten Morgen festzustellen, dass es sich selbst zu einem Laptop zusammengebaut hatte.
Es gibt verschiedene Vorschläge, wie die Proteinfaltung ihre Magie vollbringt. Eine der vielversprechendsten ist die Idee, dass die Evolution nur solche Proteine ausgewählt hat, die auf natürliche Weise in die erforderliche Form kollabieren. Dazu muss die Energie der endgültigen Form niedriger sein als die Ausgangsenergie und alle Schritte dazwischen.
Das bedeutet, dass die Energielandschaft dieses Systems trichterförmig sein muss. Nach dieser Denkweise funktioniert die Proteinfaltung, weil beim Erkunden des Raums der möglichen Formen die Struktur durch diesen Trichter fällt.
Aber es gibt ein Problem. Wenn das die ganze Geschichte wäre, müssten Proteine bei niedrigeren Temperaturen stabiler sein. Aber sie sind es nicht. Eine bekannte Eigenschaft vieler Proteine ist, dass ihre Struktur bei sinkender Temperatur zusammenbricht. Jedes Modell der Proteinfaltung muss dies also auch berücksichtigen.
Heute hat Olivier Collet von der Universität Nancy in Frankreich herausgefunden, was los ist und der Schlüssel, sagt er, ist Wasser.
Er weist darauf hin, dass die Proteinfaltung nicht isoliert, sondern in Lösung stattfindet. Die Aminosäurekette ist also von Wassermolekülen umgeben. Diese bilden im Nahbereich eine Hülle um die Proteinkette. Collet hat das Verhalten der Wassermoleküle in dieser ersten Schale untersucht.
Collet sagt, dass die Wassermoleküle mit den Aminosäuren Wasserstoffbrückenbindungen eingehen. Solange die Temperatur relativ hoch bleibt, werden die Wasserstoffbrückenbindungen ständig aufgebrochen und neu gebildet und die Faltung schreitet in der normalerweise schnellen Weise voran.
Wenn die Temperatur jedoch sinkt, werden die Wasserstoffbrückenbindungen dauerhaft, sodass das Protein neue energiearme Konfigurationen annehmen kann. Dies verändert die Energielandschaft dramatisch und schafft zusätzliche Täler, die diesen neuen Niedrigenergieformen entsprechen. Anstatt also durch den Energietrichter zu fallen, bleibt das Protein in einem anderen Tal stecken, das einer falschen Form entspricht.
Das ist eine nützliche Idee. Es erklärt anschaulich das Temperaturproblem innerhalb der bestehenden Theorie.
Es deutet auch darauf hin, dass ein besseres Verständnis der Eigenschaften von Wasser auf diesen winzigen Skalen zu einem leistungsfähigen neuen Verständnis der Proteinfaltung führen könnte.
Wie wir letzte Woche gesehen haben, hat das Netzwerk von Verbindungen zwischen Wassermolekülen, das in dieser Größenordnung begrenzt ist, einen dramatischen Einfluss auf sein Verhalten. Möglicherweise ist sogar eine mit diesen Verbindungen verbundene Quantenkohärenz vorhanden, die sofort einen neuen Weg nahelegt, dieses Problem anzugehen – die Behandlung als eine Art Quantenberechnung.
Das könnte einen ganz neuen Arbeitsweg eröffnen und wir werden es beobachten. Faszinierende Sache!
Ref: arxiv.org/abs/1101.5502 : Wie faltet die erste Wasserschale Proteine so schnell?