Quartärstrukturen

Quartärstrukturen bezeichnet in der Biologie die Anordnung und Interaktion mehrerer Polypeptidketten zu einem funktionellen Proteinkomplex. Im Gegensatz zur Tertiärstruktur, die die Faltung einer einzelnen Kette beschreibt, beschreibt die Quartärstruktur, wie mehrere Untereinheiten zusammenwirken. Diese Untereinheiten können identisch sein (homoquaternäre Strukturen) oder unterschiedliche Untereinheiten (heteroquaternäre Strukturen) aufweisen. Die räumliche Organisation bestimmt Stabilität, Regulation und Funktion des Proteins.

Typische Merkmale sind die Stoichiometrie und die Art der Bindungsoberflächen zwischen Untereinheiten. Interaktionen umfassen hydrophobe Kontakte, elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken und ggf. Disulfidbrücken. Viele Quartärstrukturen weisen Symmetrie auf und nutzen Allosteregelungen, bei denen Bindung oder Freisetzung eines Liganden die Affinität anderer Untereinheiten verändert. Ein klassisches Beispiel ist Hämoglobin, ein Tetramer aus zwei Alpha- und zwei Beta-Untereinheiten, dessen kooperative Sauerstoffbindung eine zentrale Rolle spielt. Weitere Beispiele sind Enzymkomplexe, Antikörper und der F1F0-ATP-Synthase-Komplex.

Die Untereinheiten können obligat zusammenarbeiten oder erst unter bestimmten Bedingungen assoziieren. Die Assemblierung kann spontan erfolgen oder durch Chaperone unterstützt werden. Quartärstrukturen sind oft dynamisch und können zwischen verschiedenen Konformationen wechseln, was Allosterie ermöglicht.

Zur Bestimmung der Quartärstruktur werden Techniken wie Röntgenkristallographie, Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), Kernspinresonanzspektroskopie, Native Massenspektrometrie, analytische Ultrazentrifugation und Quervernetzungs-Experimente eingesetzt. Das Verständnis der Quartärstruktur ist wichtig für Biologie, Pharmakologie und Medizin, da Störungen der Untereinheiten-Interaktionen zu Funktionsverlust, Erkrankungen oder Proteinaggregation führen können. Mutationen an Schnittstellen oder veränderte Untereinheit-Zusammensetzung können Krankheiten verursachen oder Therapien beeinflussen.