Quaternärstruktur

Quaternärstruktur bezeichnet in der Biologie die räumliche Anordnung mehrerer Polypeptidketten zu einem funktionellen Multimerprotein. Sie beschreibt, wie Untereinheiten zusammengefügt sind, wie Oberflächenkontakte die Gesamtstruktur stabilisieren und wie diese Organisation die Funktion des Proteins beeinflusst. Die Quaternärstruktur ergänzt Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur und ist besonders wichtig bei Proteinen, die als Mehruntereinheiten arbeiten.

Untereinheiten können identisch sein (Homomere) oder verschieden (Heteromere). Häufig vorkommende Architekturen sind Dimere, Trimere, Tetramere oder größere Multimerformen; Symmetrie spielt eine Rolle, etwa zyklische (C_n) und dihedrale (D_n) Symmetrie. Die Stabilität der Assembly ergibt sich aus Interaktionsoberflächen, hydrophoben Kontakten sowie elektrostatischen Wechselwirkungen. Die Bildung der Quaternärstruktur kann spontan erfolgen oder durch regulatorische Faktoren, Chaperone oder Liganden moduliert werden.

Funktionell ermöglicht die Quaternärstruktur oft Kooperativität und Allostery. Bindung an Substrate oder Liganden in einer Untereinheit kann die Konformation anderer Untereinheiten beeinflussen und so Aktivität oder Spezifität Stefzer beeinflussen. Typische Beispiele sind Hämoglobin, ein Tetramer mit zwei Alpha- und zwei Beta-Untereinheiten, und Immunoglobulin G, das zwei schwere und zwei leichte Ketten trägt. Proteasomen und andere Enzymkomplexe zeigen ebenfalls komplexe Multimerstrukturen.

Bestimmung und Charakterisierung erfolgen durch Strukturanalyse wie Röntgenkristallographie, Kryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Ergänzend dienen analytische Ultrazentrifugation, Größenausschlusschromatographie mit Lichtstreuung (SEC-MALS) und Small-Angle-X-ray Scattering (SAXS) der Bestimmung von Größe, Form und Stöchiometrie von Multimeren.

Die Quaternärstruktur ist zentral für Biologie und Medizin. Fehlassemblierung kann Funktionsverlust oder krankhafte Zustände verursachen, weshalb Untereinheit-Interaktionen und Assemblierungsprozesse wichtige Zielbereiche von Therapien darstellen.