Faltung von Proteinen
Überall in lebenden Systemen ordnen sich molekularer Strukturen mit hoher Präzision selbstständig an. Die damit verbundene Faltung der molekularen Ketten aus Aminosäuren zu Proteinen hängt von der Sequenz der Aminosäuren ("Primärstruktur") und den vielfältigen Einflüssen innerhalb der Zellen in unserem Körper ab. Dieser komplexe Faltungsprozess von einer unstrukturierten Polypeptidkette hin zu einer spezifischen dreidimensionalen Proteinstruktur ist bislang nicht vollständig verstanden.
Die resultierenden hochspezifische Strukturen sind mit bestimmen biologische Aktivitäten und biochemische Verfahren, wie die Positionierung von Molekülen an einer bestimmten Stelle innerhalb der Zelle oder der Regulierung des Zellwachstums, verbunden. Nur korrekt gefaltete Proteine sind in der Lage selektiv mit ihren natürlichen Partnern zu interagieren und ihre spezifische Funktion zu erfüllen. Auf dem Weg in den thermodynamisch stabilsten Zustand (vorzugsweise den natürlichen Zustand), rastert die Polypeptidkette dabei stochastisch durch alle verfügbaren Konformationen. Im Durchschnitt sind Wechselwirkungen zwischen Teilen der Aminosäuresequenz, die eine Ähnlichkeit mit denen im nativen Zustand haben stabiler als andere. Diese höhere Beständigkeit ermöglicht es dem Protein sich während seines Übergangs von einem Zufallsknäuel zu einer nativen Struktur rasch zu falten. Dabei wird nur eine kleine Anzahl von möglichen Konformationen abgetastet.
Der Faltvorgang erfolgt hierbei auf unterschiedlichen Zeitskalen. Während sich einzelne α-Helices und β-Windungen in der Regel in weniger als 100 ns bzw. 1 μs bilden können, benötigen insbesondere Proteine, die aus β-Faltblattstrukturen zusammengesetzt sind viele Größenordnungen länger für die Faltung. Diese Helices und Faltblätter ("sekundäre Strukturen"), siehe Abbildung 1, können in nahezu jeder Proteinstruktur gefunden werden und sind allgemeine, dreidimensionale Strukturmotive des Proteins. Sie werden hauptsächlich durch Wasserstoffbrücken stabilisiert. Diese Bindungen - meist nicht in synthetischen Polymeren vorhanden - sind spezifische Wechselwirkungen zwischen der Carbonylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer weiteren Aminosäure.
Die spezifische Funktion eines Proteins hängt von seiner dreidimensionalen Struktur ab. Diese Anordnung der sekundären Strukturelemente im Raum wird als "Tertiärstruktur" bezeichnet. Die weitreichenden Folgen von falsch gefalteten Proteinen oder Proteinen mit einer nur kurzfristigen Stabilität des nativen Zustands sind hierbei offensichtlich.