Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Hightech einer Anstandsdame auf der Spur - Neue Einsichten in die Mechanismen der Proteinfaltung

04.04.2008
Proteine sind die wichtigsten Funktionsträger der Zelle. Ihre komplexen Aufgaben, etwa als Enzyme oder Transportmoleküle, können sie aber nur in ihrer jeweils spezifischen dreidimensionalen Struktur erfüllen.

Dazu müssen ihre Bestandteile - eine oder mehrere fadenförmige Ketten aus Aminosäuren - nach der Synthese entsprechend gefaltet werden. Fehlgefaltete Proteine können zu Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson führen. Die Proteinfaltung bedarf in vielen Fällen aber der Hilfe einer "Anstandsdame" oder - nach dem englischen Ausdruck dafür - eines Chaperons. Wie diese molekularen Helfer im Einzelfall Aminosäureketten zu hochkomplexen Proteinen mit teilweise mehreren funktionalen Domänen werden lassen, ist weitgehend unverstanden.

Dank hoch spezialisierter Techniken konnte jetzt aber ein internationales Forscherteam um Professor Don C. Lamb, Department für Chemie und Biochemie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, sowie Professor Ulrich Hartl und Dr. Manajit Hayer-Hartl, beide vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, neue Einsichten in die Chaperon-vermittelte Proteinfaltung gewinnen. Wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Cell" berichtet, sind die molekularen Anstandsdamen dabei viel aktiver als bisher vermutet: Das bakterielle Chaperon GroEL etwa liefert den neu synthetisierten Proteinen nicht nur eine geschützte Umgebung für die Faltung, sondern hilft aktiv dabei mit - und korrigiert möglicherweise sogar vorangegangene Fehlfaltungen.

Proteine werden von großen Molekülkomplexen im Zellinneren, den Ribosomen, gebildet. Schon während und vor allem nach der Synthese beginnt die Faltung der dabei entstehenden Aminosäureketten. Nur eine jeweils ganz spezifische dreidimensionale Struktur schafft eine biologisch funktionierende Einheit. Doch rein theoretisch kann sich ein Protein - besonders wenn es aus mehreren Untereinheiten besteht - auf ganz unterschiedliche Weise falten. Erschwerend kommt hinzu, dass eine Vielzahl von Störfaktoren in der Zelle eine korrekte Faltung verhindern kann. So enthalten alle Proteine hydrophobe, also wasserabweisende Bestandteile, die aufgrund dieser chemischen Eigenschaft das wässrige zelluläre Milieu meiden und so eine falsche Faltung erzwingen könnten. Eben dies zu verhindern, ist die Aufgabe der Chaperon-Proteine. In Bakterien ist dies unter anderem das zylindrische Molekül GroEL zusammen mit dem kleineren GroES. In höheren Organismen gibt es ähnlich aufgebaute und in der Funktion entsprechende Chaperon-Proteine.

... mehr zu:
»Protein »Proteinfaltung

Es ist bekannt, dass viele neu synthetisierte Proteine, die ihre dreidimensionale Struktur nicht spontan einnehmen können, innerhalb von GroEL gefaltet werden. Bislang wurde angenommen, dass das Chaperon seinen molekularen Schützling nur vor dem zellulären Milieu und Störfaktoren abschirmt, um eine ungestörte Faltung zu ermöglichen. Eine darüber hinausgehende Rolle wurde GroEL allerdings nicht zugeschrieben. "Wir konnten jetzt aber zeigen, dass GroEL die neu synthetisierten Proteine sogar aktiv bewegt", berichtet Lamb. "Das ist ein streng kontrollierter Vorgang, und das Protein wird nur schrittweise und unter Energieverbrauch freigesetzt. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass die hydrophilen und damit wasserliebenden Bereiche zuerst freigelassen werden." Das aber widerspricht der vorherrschenden Ansicht, dass Proteinfaltung per 'hydrophobem Kollaps' vonstatten geht, wonach sich die wassermeidenden Bereiche zuerst eng zusammenschließen und dann von den hydrophilen Domänen umgeben werden.

Die Chaperon-vermittelte Proteinfaltung bewegt sich damit genau entgegengesetzt zu der Richtung, die man sonst allein für möglich gehalten hat: Anders als beim hydrophoben Kollaps der spontanen Proteinfaltung werden in GroEL die zunehmend hydrophoben Domänen erst nach den hydrophilen Bereichen und nur Schritt für Schritt zur Faltung zugelassen. "Ganz grundsätzlich unterscheidet sich die GroEL-vermittelte Proteinfaltung auch wegen ihres schrittweisen Verlaufs entscheidend von der spontanten Faltung", sagt Manajit Hayer-Hartl. "Ebenfalls überraschend war für uns, dass Proteinmoleküle sogar bei der initialen Bindung an GroEL entfaltet werden", fügt Ulrich Hartl hinzu. "Möglicherweise werden dadurch Fehlfaltungen korrigiert, die schon vor der Bindung an das Chaperon vorliegen können. Denn wie unsere Ergebnisse zeigen, decken die an GroEL gebundenen Proteine ein breites konformationelles Spektrum ab: von stark entfaltet bis relativ kompakt." Insgesamt also liefert diese Arbeit ganz neue Einsichten in den Mechanismus der GroEL-vermittelten Proteinfaltung - die sich möglicherweise auch auf höhere Lebewesen übertragen lassen.

Gezeigt wurde dies mit Hilfe komplexer Techniken, etwa dem so genannten "Fluorescence resonance energy transfer (FRET)", der relative Abstände zwischen zwei fluoreszierenden Farbstoffen auf kleinster Skala bestimmen kann. Sind die Farbstoffe dabei an biologische oder chemische Strukturen gekoppelt, lässt sich so auf deren Entfernung rückschließen. In diesem Fall verfolgten Don Lamb und seine Mitarbeiter einzelne Moleküle und konnten so erstmals mit Hilfe dieser Methode zeigen, wie eine ungefaltete Aminosäurekette nach und nach ihre dreidimensionale Struktur als Protein einnimmt. Für den Nachweis der FRET-Farbstoffe wurde dann eine von Lambs Labor entwickelte Methode namens "Pulsed Interleaved Excitation", kurz PIE, eingesetzt. Dabei werden Laserpulse alternierend ausgesendet: Einer misst die Effizienz von FRET, der andere die Anwesenheit des Farbstoffmoleküls, das den Impuls aufnimmt. "Die hervorragende Zusammenarbeit werden wir auch fortsetzen", so Hartl. "Insbesondere wollen wir künftig die Einzelmolekülmessungen bei FRET mit hoher zeitlicher Auflösung durchführen. Das sind schwierige Messungen, für die Don Lamb und seine Mitarbeiter aber die nötigen technischen Voraussetzungen entwickelt haben."

Die vorliegende Arbeit fand unter anderem im Rahmen der Exzellenzcluster "Munich Center for Integrated Protein Science (CiPSM)" sowie "Nanosystems Initiative Munich (NIM)" und zweier Sonderforschungsbereiche, dem SFB 596 "Molekulare Mechanismen der Neurodegeneration" und dem SFB 646 "Netzwerke in Expression und Erhalt des Genoms", statt. Das Projekt wurde von der Körber-Stiftung und der Ernst Jung-Stiftung gefördert.

Publikation:
"Monitoring Protein Conformation along the Pathway of Chaperonin-Assisted Folding",
Shruti Sharma, Kausik Chakraborty, Barbara K. Müller, Nagore Astola, Yun-Chi Tang, Don C. Lamb, Manajit Hayer-Hartl, and F. Ulrich Hartl

Cell, 4. April 2008

Ansprechpartner:

Professor Dr. Don C. Lamb
Department für Chemie und Biochemie der LMU
Tel.: 089 / 2180-77564
Fax: 089 / 2180-77560
E-Mail: don.lamb@cup.uni-muenchen.de
Professor Dr. Franz-Ulrich Hartl
Max-Planck-Institut für Biochemie
Tel.: 089 / 8578-2244 oder -2245
Fax: 089 / 8578-2211
E-Mail: uhartl@biochem.mpg.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Protein Proteinfaltung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen
20.09.2017 | Veterinärmedizinische Universität Wien

nachricht Molekulare Kraftmesser
20.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik