Proteinstruktur

Proteinstruktur beschreibt die dreidimensionale Anordnung der Aminosäuren in einem Protein und ist entscheidend für dessen Funktion. Die Struktur wird in vier Ebenen unterschieden: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.

Primärstruktur ist die Sequenz der Aminosäuren, verbunden durch Peptidbindungen. Die Reihenfolge bestimmt, wie das Protein sich später faltet und welche chemischen Eigenschaften an bestimmten Positionen auftreten.

Sekundärstruktur umfasst lokale Muster wie α-Helices und β-Faltblätter, stabilisiert durch Wasserstoffbrückenbindungen entlang des Rückgrats der Polypeptidkette. Loops und Schleifen verbinden diese Elemente und tragen zur Gesamtkonformation bei.

Tertiärstruktur beschreibt die dreidimensionale Anordnung der gesamten Polypeptidkette zu einer kompakt gefalteten Moleküle. Stabilisierende Kräfte sind hydrophobe Wechselwirkungen, Wasserstoff- und Ionenbindungen, van-der-Waals-Kräfte sowie Disulfidbrücken. Oft bilden sich dabei funktionelle Domänen.

Quartärstruktur liegt vor, wenn mehrere Polypeptidketten (Untereinheiten) zu einem funktionellen Komplex assembliert werden. Nicht alle Proteine weisen eine Quartärstruktur auf.

Der Faltungsprozess wird durch physiko-chemische Treiber wie die hydrophobe Wirkung geleitet. Chaperone unterstützen korrekte Faltung. Nach dem Prinzip von Anfinsen enthält die Primärstruktur alle Informationen für die Faltung; Fehlfaltungen können zu Aggregationen führen und damit Krankheiten wie Alzheimer, Mukoviszidose oder Familienerkrankungen begünstigen.

Methoden der Strukturanalyse umfassen Röntgenkristallographie, Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Moderne Ansätze zur Vorhersage von Strukturen nutzen Homologiemodellierung, ab-initio-Methoden und KI-basiertes Lernen, wobei AlphaFold in vielen Fällen präzise Modelle liefert.