Proteinfaltung ist der Prozess, durch den eine lineare Polypeptidkette ihre native dreidimensionale Struktur annimmt. Während die Aminosäuresequenz alle für die Faltung notwendigen Informationen enthält, wie Anfinsens klassische Experimente mit Ribonuklease zeigten, benötigen viele Proteine molekulare Chaperone, um in der dichten zellulären Umgebung effizient zu falten.

Das Faltungsproblem

Die Anzahl möglicher Konformationen für eine Polypeptidkette ist astronomisch groß. Ein Protein von 100 Aminosäuren könnte theoretisch eine enorme Anzahl von Konformationen annehmen, doch die Faltung erfolgt in Millisekunden bis Sekunden. Dieses Paradoxon, bekannt als Levinthals Paradoxon, zeigt, dass Faltung keine zufällige Suche ist, sondern spezifischen Wegen folgt. Die Faltung wird durch hydrophoben Kollaps, Wasserstoffbrückenbindungen und die Bildung sekundärer Strukturelemente gesteuert, die die konformationelle Suche einschränken.

Die Energielandschaft

Die Proteinfaltung wird durch das Konzept der Energielandschaft oder des Faltungstrichters beschrieben. Die trichterförmige Landschaft hat viele hochenergetische ungefaltete Konformationen an der Spitze und einen einzigen niederenergetischen natives Zustand am Boden. Der Trichter ist nicht glatt, sondern enthält lokale Energieminima, in denen teilweise gefaltete Zwischenprodukte akkumulieren können. Einige Proteine falten sich über wohldefinierte Zwischenprodukte, während andere sich durch allmähliche Verdichtung falten. Rauhe Landschaften mit tiefen kinetischen Fallen können zu Fehlfaltung und Aggregation führen.

Hydrophober Kollaps

Die treibende Kraft für die Proteinfaltung ist der hydrophobe Effekt. Unpolare Seitenketten gruppieren sich im Proteininneren zusammen und minimieren so ihre Exposition gegenüber Wasser. Dieser hydrophobe Kollaps ist thermodynamisch günstig, da er Wassermoleküle aus den geordneten Solvathüllen um hydrophobe Oberflächen freisetzt und so die Entropie erhöht. Das kollabierte Globulin durchläuft dann strukturelle Umlagerungen, um die native Struktur zu bilden, wobei sich Sekundär- und Tertiärstruktur gleichzeitig ausbilden.

Molekulare Chaperone

Molekulare Chaperone sind Proteine, die die Faltung unterstützen, ohne Teil der endgültigen Struktur zu werden. Sie verhindern Aggregation durch Bindung an exponierte hydrophobe Oberflächen ungefalteter oder teilweise gefalteter Proteine. Chaperone enthalten keine sterischen Informationen für die Faltung, sondern verhindern unangemessene Interaktionen, die zu Fehlfaltung führen.

Hsp70-Chaperon-System

Die Hsp70-Familie umfasst konstitutiv exprimiertes Hsc70 und Stress-induziertes Hsp70. Hsp70 erkennt exponierte hydrophobe Stellen auf ungefalteten Proteinen durch seine C-terminale Substratbindungsdomäne. Bindung und Freisetzung werden durch ATP-Hydrolyse in der N-terminalen Nukleotidbindungsdomäne reguliert. J-Proteine wie Hsp40 stimulieren die ATP-Hydrolyse und liefern Substrate an Hsp70. Nukleotidaustauschfaktoren wie Bag-1 und HspBP1 erleichtern die ADP-Freisetzung und die erneute Bindung von ATP.

Chaperonine

Chaperonine sind große barrelförmige Komplexe, die eine isolierte Kammer für die Proteinfaltung bereitstellen. Gruppe-I-Chaperonine in Bakterien umfassen GroEL und seinen Cofaktor GroES. GroEL bildet einen gestapelten Doppelring aus jeweils sieben Untereinheiten, der einen zentralen Hohlraum erzeugt. Das ungefaltete Protein bindet im Hohlraum, GroES kappt die Kammer und ATP-Hydrolyse induziert Konformationsänderungen, die das Protein in den abgeschlossenen Raum zur Faltung entlassen. Gruppe-II-Chaperonine in Eukaryoten, genannt TRiC oder CCT, funktionieren ohne separaten Cofaktor und unterstützen die Faltung von Zytoskelettproteinen wie Aktin und Tubulin.

Proteindisulfid-Isomerase

Die Proteindisulfid-Isomerase katalysiert die Bildung und Umlagerung von Disulfidbrücken im endoplasmatischen Retikulum. Sie enthält Thioredoxin-ähnliche Domänen mit aktivem Zentrum Cysteinresten, die gemischte Disulfide mit Substratproteinen bilden. PDI kann Disulfidbrücken einführen, reduzieren oder isomerisieren und stellt sicher, dass die korrekte Paarung von Cysteinresten während der Proteinfaltung erreicht wird. Der Redoxzustand des ER wird durch den Glutathionpuffer aufrechterhalten, mit einer oxidierten Umgebung, die die Disulfidbildung begünstigt.

Peptidyl-Prolyl-Isomerasen

Peptidyl-Prolyl-Isomerasen beschleunigen die Cis-Trans-Isomerisierung von Prolin-Peptidbindungen, die intrinsisch langsam ist und für die Proteinfaltung geschwindigkeitsbestimmend sein kann. Es gibt drei Familien: Cyclophiline, FK506-bindende Proteine und Parvuline. Cyclophiline sind Zielmoleküle des Immunsuppressivums Cyclosporin A. PPIs sind in allen Zellkompartimenten vorhanden und unterstützen die Faltung von Proteinen, die Prolinreste enthalten. Die PPI-Aktivität ist besonders wichtig für die Kollagenfaltung, bei der Glycin-Prolin-Hydroxyprolin-Wiederholungen häufig vorkommen.

Fehlfaltung und Krankheit

Proteinfaltungsstörungen und Aggregation sind mit vielen Krankheiten verbunden. Die Alzheimer-Krankheit beinhaltet die Aggregation von Amyloid-Beta-Peptiden zu Amyloid-Plaques und Tau-Protein zu neurofibrillären Bündeln. Die Parkinson-Krankheit ist durch Alpha-Synuclein-Aggregation zu Lewy-Körperchen gekennzeichnet. Die Huntington-Krankheit resultiert aus einer Polyglutamin-Expansion im Huntingtin-Protein. Prionenerkrankungen beinhalten die Umwandlung des normalen Prionproteins in eine abnormale, aggregationsanfällige Konformation, die infektiös ist. In all diesen Krankheiten ist das Gleichgewicht zwischen Proteinfaltung, Chaperonunterstützung und Abbau gestört.