Aminosäurekette

Aminosäurenkette

Eiweiße bestehen aus Aminosäuren (und teilweise auch aus einigen anorganischen Elementen). Die Aminosäureketten werden in der Zelle, dem Ribosom, gebildet. ((Carboxypeptidasen = C-terminales Ende, Aminopeptidase = N-terminales Ende). Eiweiße bestehen aus gefalteten Aminosäureketten. Weil die Tyrosinprotease hinter dem Tyrosin schneidet, bildet sich die folgende Aminosäurekette der zu untersuchenden Aminosäurekette.

Chaperone der Eiweiße - Uni Heidelberg im Überblick

Eiweiße werden von höhermolekularen Eiweißfabriken, den sogenannten Riibosomen, produziert. Das biologische Verhalten von Zellribosomen beruht auf der Bindung - der Bildung von Peptid-Bindungen - von zwanzig unterschiedlichen Bausteinen der einzelnen Bausteine zu einer linienförmigen Polypeptidreihe, die in der Regel aus mehreren hundert Bausteinen zusammengesetzt ist. Das Ribosom führt die Herstellung schrittweise durch, indem es an einem Ende der Polypeptidreihe beginnt und die Verbindung der einzelnen Aminosäuren zur nächsten aufbaut.

Die Diversität der Aminosäurenketten determiniert die Diversität von Proteinen und ermöglicht zum Beispiel die Regulierung des Blutzuckers durch die Insuline und den Transport von Sauerstoff durch das Blut. Doch damit ein Eiweiß seine biologischen Aktivitäten entfalten kann, muss die Aminosäurekette zunächst in eine dreidimensionale Form "gefaltet" werden. Folding steht für die Reife des Eiweißes und ist ein faszinierender, komplizierter Prozess, der mehrere Forschergenerationen eingenommen hat.

Es basiert auf Interaktionen zwischen den einzelnen Bausteinen einer Polypeptid-Kette, die sich in wenigen Augenblicken bilden. Die wasserabweisenden (hydrophoben) Säuren, die sich nicht gut mit der wässerigen Umgebung der Zellen vermischen, sind in der Eiweißstruktur versteckt. Gefaltete Proteine enthalten hauptsächlich zwei sekundäre Strukturen, Alpha-Helices und Beta-Flugblätter, die auf vielfältige Art und Weise verknüpft und mit Schlaufen zu dreidimensionalen strukturellen Einheiten, den sogenannten Faltdomänen, verknüpft sind, die in der Regel 100 bis 200 Aminosäuren enthalten.

Zahlreiche Eiweiße setzen sich aus mehreren Faltungsbereichen zusammen, die in Wechselwirkung zueinander stehen und so eine überlagerte tertiäre Struktur ausbilden. Noch komplexer ist die Vielschichtigkeit der Eiweiße, da die Bildung einer funktionellen Einheit oft den geordneten Zusammenbau mehrerer zusammengefalteter Eiweiße gleicher oder unterschiedlicher Art zu einer quaternären Struktur erfordert. An dieser Stelle setzt die Proteinfaltung ein.

Das ist ein komplizierter Prozess, der sehr fehleranfällig ist und zur Entstehung von "fehlgefalteten" Eiweißen führt, die nicht funktionsfähig und manchmal auch giftig sind. Die Fehlfaltung von Eiweiß kann aber auch bestehende natürliche Eiweiße beeinträchtigen und ist daher ein viel allgemeineres Zellproblem. Beispielsweise können sich Eiweiße falsch falten, wenn eine Zelle einer Belastung wie z. B. einer Wärmebehandlung unterworfen wird.

Oder, wenn Eiweiße durch Mutation entstabilisiert werden, zum Beispiel bei Krankheiten wie z. B. der Krebserkrankung oder der Mukoviszidose (eine erbliche Stoffwechselerkrankung; der genetische Defekt hat zur Folge, dass ein für die Normalschleimproduktion wichtiges Membraneiweiß ausbleibt oder seine Funktionen gestört werden). Schliesslich können auch Langzeitveränderungen in Proteinen auftreten, zum Beispiel im Aß-Protein von Alzheimer-Plaques oder in Prionen.

Falsch gefaltete Eiweiße weichen oft von richtig zusammengefalteten "nativen" Eiweißen dadurch ab, dass die hydrophoben Säuren von innen an die Proteinoberfläche kommen und es zu unerwünschten hydrophoben Interaktionen mit anderen Eiweißen (meist der selben Spezies) kommt. Ermöglicht wird dieser Prozess der Eiweißaggregation durch die enge Packung der Eiweiße in der Zellen (etwa 200 bis 300 g pro l Zellvolumen), so dass es zu einer makromolekularen Verdrängung kommt, die zu einer ständigen Kollision der Eiweiße führt.

Eiweißaggregation spiegelt also die Faltungsproblematik von Eiweißen wider und manifestiert sich in vielerlei Hinsicht: Proteinaggregate beim Kochen einer Eizelle; biotechnisch produzierte Eiweiße formen Einschlusskörper in ihren Stammzellen; viele neurologische Krankheiten sind mit der Bildung von Eiweißaggregaten, den Amyloidfasern, verbunden; Proteinfehlfaltungen und -aggregationen führen zu einer signifikanten Zellalterung und -tod unter Zeitdruck.

Gegen diese Probleme verfügen die Körperzellen über ein ganzes Bündel von Molekülchaperonen, die etwa zehn Prozentpunkte der Gesamtproteine der Körperzelle einnehmen. Sie bindet und schützt die neuen synthetischen Eiweiße, bis sie ihre natürliche räumliche Beschaffenheit erreicht haben. Durch die Abschirmung exponierter hydrophober Stellen beugen sie unerwünschten Proteinverklumpungen vor und sind in der Lage, die natürliche Proteinfaltung aktiv zu unterstützen.

Dabei sind sie auch in der Lage, die bereits aggregierten Eiweiße zu lösen und in ihren ursprünglichen Aggregatzustand umzuwandeln. In den vergangenen Jahren konnte meine Forschungsgruppe einige Arbeitsmethoden von molekularen Chaperonen erhellen. Als erstes Anstandsdame kommt das Ribosomen-assoziierte Eiweiß "Triggerfaktor" mit neuen synthetischen Eiweißen in der Bakterie in Berührung und unterstützt deren Faltenbildung während der Bio-Synthese.

In unserem Forschungslabor wurde der Auslöser als Begleiter für neu synthetisierte Eiweiße gefunden und seine Wichtigkeit für die Faltenbildung eruiert. Allerdings war zunächst nicht bekannt, wie es den Eiweißen helfen kann, sich zu falten. Dieser Trigger-Faktor bogenförmig über den Tunnelaustritt des Ribosomes und bilden einen hydrophoben Hohlraum, in dem die aus dem Ribosom austretende Aminosäurekette absorbiert wird.

Es wird vermutet, dass die ersten Faltstufen eines Eiweißes in dieser Grotte ablaufen. Das Falten des Eiweißes könnte durch wasserabweisende Interaktionen so lange hinausgezögert werden, bis die Aminosäurekette eine lange Strecke zurückgelegt hat, die durch die kontinuierliche Herstellung eine stabil isierende Faltdomäne ermöglicht. Das biochemische Verhalten im Inneren der Grotte ermöglicht die Faltenbildung der einzelnen Bereiche des "neugeborenen" Eiweißes in einer geschützten Umwelt.

Es ist möglich, dass das Eiweiß erst dann aus der Grotte freigesetzt wird, wenn die Faltenbildung stattgefunden hat, obwohl die molekulare Detaillierung dieses Faltungsvorgangs noch weitestgehend ungeklärt ist. Obwohl die höheren Stammzellen keinen Trigger-Faktor haben, sind einigen anderen Ribosomen-assoziierten Chaperonen noch keine spezifischen Aufgaben bei der Proteinfaltung zugewiesen worden.

Bei vielen neu synthetisierten Proteinen sind die Falten am Rippenbein nicht ausreichend, um die natürliche räumliche Struktur zu erhalten. Benannt wurden die beiden Eiweiße nach den Erkenntnissen, dass sie nicht nur für die Faltenbildung neu synthetisierter Eiweiße von Bedeutung sind, sondern auch als zentraler Bestandteil des Zellreparatursystems für falsch gefaltete Eiweiße dienen und somit für das Zellüberleben unter Belastungsbedingungen unerlässlich sind.

Hsp70 und der Chaperon der Serie Chaperon HSP 60 brauchen die Kraft von zellulärer " Energiewährungen " für eine kontrollierte Bindung an ihre Träger - die gefalteten und fehlgefalteten Eiweiße - und geben sie dann wieder für die weitere Auffaltung ab. Die beiden Begleitstoffe verbinden sich mit den oberflächlichen hydrophoben Bereichen der Eiweiße, allerdings auf sehr verschiedeneWeisen.

In unseren Studien hat sich gezeigt, dass Hsp70-Chaperone eine kleine Bindungstasche für nur vier bis fünf der Polypeptidketten haben, deren einzige Eigenschaft die Akkumulation von wasserabweisenden Säuren und das Nichtvorhandensein von negativen geladenen Aminofaktoren ist. Ist ein solcher wasserabweisender Teil (Sequenz) der Proteinoberfläche ausgesetzt, kann Hsp 70 daran gebunden werden, um das Eiweiß vor Verklumpung zu bewahren und weitere Arbeitsschritte für die Faltenbildung vorzubereiten.

Diese Erkennungsart einer kleinen wasserabweisenden Folge auf der Proteinoberfläche repräsentiert also eine molekularbiologische Bestimmung der Zellen für die Fehlfaltung. In verschiedenen Forschergruppen wurde festgestellt, dass die Eiweißsubstrate im Inneren der Kammern gebunden und dort über mehrere wasserabweisende Bindungsstellen zurückgehalten werden. Kann sich das Eiweißsubstrat während dieser Zeit nicht in die natürliche Form einfalten, kann dieser Chaperon-Bindungszyklus wiederaufgenommen werden.

Das zelluläre Qualitätsmanagement von bestehenden Eiweißen besteht hauptsächlich darin, die temporäre Anbindung falsch gefalteter Eiweiße an Hsp70-Chaperone zu unterdrücken. Durch die Wechselwirkung mit Hsp 70 kann eine spätere Rückverfaltung in die ursprüngliche Form oder eine Übertragung des Substrats auf Hsp 60 (GroEL) erfolgen, was auch eine Rückverfaltung auslösen kann.

Noch vor wenigen Jahren wurde angenommen, dass die Verklumpung von Eiweißen nicht mehr reversibel ist. Das Zusammenwirken beider Anstandsdamen ist für die Lösung des Proteinaggregates unerlässlich: Die angehäuften Eiweiße müssen zunächst mit dem Hsp70-Chaperon in Wechselwirkung treten, was die Aggregatestruktur lockern kann. Sie selbst ist eine spannende molekularbiologische Maschine: Sie nutzt die Kraft von AIDS, um die einzelnen Polypeptid-Ketten von Proteinaggregaten zu verbinden und durch die Zentralpore zu befördern.

Das Polypeptid bindet zunächst am Eintritt der Poren, an einem der beiden Ende des Ringes an. Die Wirkung dieses Bi-Chaperonsystems ist enorm: Fast alle Eiweiße, die nach einem Wärmeschock in der Haut aggregieren, können damit wieder auflösen. Mangelt es an diesem Mechanismus, weil die für den Aufbau dieser Eiweiße verantwortlichen Genen verändert sind, verstirbt die Zellen nach der Wärmebehandlung.

Das Gesamtkonzept der Moleküle, von denen hier nur einige wenige genannt wurden, bildet ein wirksames Qualitätssicherungssystem für Eiweiss. Dazu bindet der Chaperon an die wichtigsten Eiweiße der Signalketten - also Proteinkinasen und Transaktionsfaktoren - und verhindert deren Anlagerung. Die Signaltransduktionsfunktion macht das Chaperon besonders für die Regulierung der Zellaktivität bedeutsam.

Rasch gewachsene Krebszellen haben einen erhöhten Chaperonbedarf, weshalb sie sensibler auf Wirkstoffe sind, die gegen den Chaperon wirken. Die Pharmaindustrie ist zurzeit daran interessiert, chaperonspezifische Wirkstoffe zu finden, die sich in einigen Fällen gegen Tumore bewährt haben. So gibt es viele Gründe, die Chaperonwelt weiter zu erkunden und die Vielfältigkeit ihrer Wirkungsweisen zu ergründen.

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