Proteinfaltung und Enzymassemblierung

Bevor ein Enzym etwas katalysieren kann, muss sich seine neu synthetisierte Polypeptidkette in eine präzise dreidimensionale Form falten, und viele Enzyme müssen zusätzlich mehrere Ketten zu einem funktionellen Komplex zusammenfügen. Die Faltung wird durch die Aminosäuresequenz angetrieben, wird aber in der Zelle durch molekulare Chaperone unterstützt, und ihr Versagen kann inaktive oder aggregationsanfällige Proteine hervorrufen.

Definition

Proteinfaltung ist der Prozess, bei dem eine Polypeptidkette ihre funktionelle dreidimensionale Struktur annimmt; Enzymassemblierung ist die anschließende Assoziation gefalteter Untereinheiten (und etwaiger Kofaktoren) zum vollständigen, katalytisch aktiven Enzym.

Scope

Der Eintrag behandelt die thermodynamische Grundlage der Faltung, die Chaperon-unterstützte Faltung und Qualitätskontrolle, die Assemblierung von Untereinheiten zu Quartärstrukturen sowie die Folgen von Fehlfaltung und Aggregation. Er behandelt Faltung und Assemblierung als Referenzbiochemie und ist keine Quelle für klinische Leitlinien.

Core questions

• Was bestimmt die gefaltete Struktur eines Proteins?
• Wie unterstützen molekulare Chaperone die Faltung in der Zelle?
• Wie assemblieren Enzyme aus mehreren Untereinheiten?
• Was passiert, wenn die Faltung fehlschlägt?

Key concepts

• Nativer Zustand und Minimum der freien Energie
• Sequenz bestimmt Struktur
• Molekulare Chaperone
• Quartäre Assemblierung von Untereinheiten
• Proteinfalschfaltung und Aggregation
• Amyloidbildung
• Computergestützte Strukturvorhersage

Key theories

Anfinsens thermodynamische Hypothese

Unter physiologischen Bedingungen ist die native Konformation eines Proteins mit der niedrigsten freien Energie durch seine Aminosäuresequenz kodiert, sodass die für die Funktion benötigte Faltungsinformation in der Sequenz selbst liegt.

Mechanisms

Ein nascentes Polypeptid tastet Konformationen ab und kollabiert zu seinem nativen Zustand mit der niedrigsten freien Energie, wobei die Sequenz diesen Zustand unter zellulären Bedingungen spezifiziert. Da überfüllte Zellen Fehlfaltung und Aggregation begünstigen, binden molekulare Chaperone an exponierte hydrophobe Regionen, verhindern ungeeignete Assoziationen und geben Ketten wiederholte Chancen, sich korrekt zu falten, während Qualitätskontrollsysteme diejenigen abbauen, die versagen. Viele Enzyme assemblieren dann ihre gefalteten Untereinheiten und binden die erforderlichen Kofaktoren, um das aktive Holoenzym zu bilden. Wenn die Faltung fehlschlägt, können Proteine ihre Aktivität verlieren oder sich in geordnete Aggregate wie Amyloidfibrillen umwandeln. Fortschritte in der computergestützten Vorhersage ermöglichen nun eine genaue Ableitung gefalteter Strukturen direkt aus der Sequenz.

Clinical relevance

Proteinfalschfaltung und -aggregation sind Merkmale einer Reihe menschlicher Krankheiten, daher ist das Verständnis der Faltung und ihrer Qualitätskontrolle ein wichtiger Hintergrund für die biomedizinische Forschung. Dieser Eintrag beschreibt die Biologie der Faltung und Assemblierung als Referenz und ist keine Grundlage für Diagnose oder Behandlung.

History

Anfinsens Refolding-Experimente, zusammengefasst in seinem Bericht von 1973, zeigten, dass die Sequenz die Struktur kodiert und warfen die Frage auf, wie die Faltung so schnell abläuft. Die anschließende Entdeckung molekularer Chaperone zeigte, dass, obwohl die Thermodynamik das Ziel bestimmt, die Zelle den Weg aktiv unterstützt und vor Aggregation schützt (Tyedmers und Kollegen, 2010). Arbeiten zur Fehlfaltung verknüpften aberrante Faltung mit Amyloidkrankheiten (Chiti und Dobson, 2006; Knowles und Kollegen, 2014), und Deep-Learning-Methoden erreichten später eine genaue Strukturvorhersage aus der Sequenz (Jumper und Kollegen, 2021).

Key figures

• Christian B. Anfinsen
• Christopher M. Dobson
• F. Ulrich Hartl

Seminal works

• anfinsen-1973
• chiti-2006
• jumper-2021

Frequently asked questions

Enthält die Sequenz eines Proteins wirklich alle Informationen, die für die Faltung benötigt werden?

Unter physiologischen Bedingungen ist die native Struktur der Zustand der Sequenz mit der niedrigsten freien Energie, sodass die Faltungsinformation in der Sequenz kodiert ist; in der überfüllten Zelle sind jedoch oft Chaperone erforderlich, um diesen Zustand effizient zu erreichen und Aggregation zu vermeiden.

Warum ist die Enzymassemblierung für die Aktivität wichtig?

Viele Enzyme sind nur als gefaltete, multi-subunitäre Komplexe mit ihren Kofaktoren aktiv; korrekte Faltung und Assemblierung sind Voraussetzungen für die Bildung des intakten aktiven Zentrums.