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Biophysik: Proteinfaltung

Proteine üben innerhalb der Zelle wichtige Aufgaben aus wie den Transport von Molekülen, die Katalyse biochemischer Reaktionen oder die Bekämpfung von Krankheiten. Dabei ist ihre Funktionsweise unmittelbar mit der räumlichen Struktur verbunden. Sie können nur dann ihrer spezifischen Aufgabe nachkommen, wenn sie die dafür erforderliche Struktur besitzen.

Auch nach Jahrzehnten intensiver Forschung ist es immer noch eine offene Frage, wie die räumliche Gestalt aus der chemischen Zusammensetzung (also der Aminosäurensequenz eines Proteins, die im Genom codiert ist) hervorgeht. Eine Antwort auf diese Frage könnte zu einem tieferen Verständnis verschiedener Krankheiten führen, die durch falsch gefaltete Proteine hervorgerufen werden (beispielsweise BSE beim Rind, beziehungsweise die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit beim Menschen). Darüber hinaus hofft man, neue Medikamente mit speziell zugeschnittenen Eigenschaften entwickeln zu können.

Auf Basis einer hinreichend akkuraten Beschreibung der Kräfte zwischen den einzelnen Atomen eines Proteins sowie seiner Umgebung ist es theoretisch möglich, die Faltung des Proteins zu simulieren. Jedoch führt die Komplexität der Wechselwirkungen, zu denen sowohl anziehende als auch abstoßende Anteile beitragen, zu sehr zerklüfteten Energielandschaften. Das Aufspüren des globalen Energieminimums im hochdimensionalen Konfigurationsraum wird damit zur extrem rechenintensiven Aufgabe. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Simulation letztendlich nicht in einem lokalen Minimum festsitzt.

Die Animation zeigt verschiedene Faltungszustände von Fragment 1-34 des „Human Parathyroid“-Hormons in Verbindung mit der Gesamtenergie der Konfiguration. Die in der Natur vorkommende Struktur ist durch das globale Minimum der Gesamtenergie festgelegt. PTH1-34 reguliert den Calciumstoffwechsel und wird zur Behandlung von Osteoporose eingesetzt. Für theoretische Untersuchungen ist es interessant, da sich die Kristallstruktur von den NMR-Strukturen unterscheidet. Die Animation wurde freundlicherweise von Prof. Ulrich Hansmann (Michigan Technological University / NIC) zur Verfügung gestellt.