Proteinfaltung in Nanosekunden

Es ist nun möglich, die Dynamik von Proteinen im Zeitbereich von Milliardstelsekunden zu beobachten. Forschende vom Biozentrum der Universität Basel und von der Technischen Universität München haben eine neue Methode hierfür entwickelt. Die Messungen im Nanosekundenbereich tragen zum besseren Verständnis der grundlegenden Prozesse der Proteinfaltung bei und eröffnen Einblicke, wie Eiweisse ihre räumliche Struktur finden und ändern.

Ein Protein besteht aus einer Kette von Aminosäuren, die im Prozess der Proteinfaltung eine bestimmte räumliche Struktur einnehmen müssen, um ihre biologische Funktion zu erfüllen. Läuft bei diesem Prozess etwas falsch, kann es zu einer Anhäufung inaktiver Proteine in der Zelle führen und es können Krankheiten wie Alzheimer, die Creutzfeldt-Jakob Krankheit oder die Parkinsonsche Krankheit entstehen. Die ursprüngliche Struktur eines Proteins ist flexibel und wechselt zwischen verschiedenen Konformationen hin und her. Da solche Konformationsübergänge für die Proteinfunktion oft unerlässlich sind, ist die Dynamik der Molekülbewegungen von Aminosäureketten von grundlegender Bedeutung für die Faltung und Funktion von Proteinen.

Grundlegenden Konformationsänderungen in Proteinen finden innerhalb von Nanosekunden bis Mikrosekunden statt, aber dieser Zeitbereich war bisher experimentell nur sehr begrenzt zugänglich. Thomas Kiefhaber (jetzt TU München), Beat Fierz und Andreas Reiner vom Biozentrum der Universität Basel haben nun eine Methode entwickelt, die Messungen der Molekülbewegungen mit einer zeitlichen Auflösung von unter einer Nanosekunde ermöglicht. Damit konnte zum ersten Mal der Wechsel zwischen verschiedenen Proteinkonformationen in diesem Zeitbereich experimentell untersucht werden.

Die Forscher wählten für ihre Studie das einfachste und häufigste Proteinstrukturelement als Modellsystem, die α-Helix. Aber selbst dieses einfache System wurde aufgrund der hohen Komplexität und Geschwindigkeit der Faltungsreaktionen bis heute nicht genau verstanden. Die Forschungsergebnisse der Arbeitsguppe Kiefhaber ermöglichen nun einen genaueren Einblick in die Dynamik von α-Helices. Die Untersuchungen zeigen, dass sich eine Helix nicht als Ganzes faltet oder entfaltet, sondern in vielen verschiedenen Zuständen vorliegt, die schnell ineinander übergehen. Solche lokalen Konformationsänderungen sind ortsabhängig und finden im Zeitbereich von 250 Nano- bis 1,5 Mikrosekunden statt. Dabei ist die Dynamik an den Helix-Enden schneller als in der Mitte. Mittels theoretischer Modelle konnten diese Ergebnisse im Detail verstanden werden. Die in der aktuellen Ausgabe der «Proceedings of the National Academy of Sciences» publizierten Forschungsergebnisse sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Funktion, Faltung and Fehlfaltung von Proteinen.

Originalbeitrag
Beat Fierz, Andreas Reiner, and Thomas Kiefhaber
Local conformational dynamics in α-helices measured by fast triplet transfer
PNAS, published online before print January 8, 2009 | doi: 10.1073/pnas.0808581106

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Thomas Kiefhaber, Chemistry Department and Munich Center for Integrated Protein Science, Technische Universität München, Lichtenbergstrasse 4, D-85747 Garching. E-Mail: t.kiefhaber  [at] tum.de