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Von der antiviralen Wirkung zur Zellteilung: Welche überraschende Rolle haben konjugierte Helices in der Biologie?
Die konjugierte Helix ist ein Strukturmerkmal von Proteinen, das aus 2–7 Alpha-Helices besteht, die wie ein Seil zusammengerollt sind. Diese Struktur kommt in etwa 5–10 % aller Proteine vor und hat vielfältige Funktionen. Als eines der umfassendsten Details der Protein-Protein-Interaktionen spielen konjugierte Helices eine unverzichtbare Rolle in der biologischen Forschung.
Erkennungsprozess
Das Konzept der konjugierten Helix sorgte einst bei der Untersuchung von α-Keratin für Kontroversen. Zu dieser Schlussfolgerung gelangten Linus Pauling und Francis Crick unabhängig voneinander und fast gleichzeitig. Im Sommer 1952 besuchte Paulin Cricks Labor in England und die beiden tauschten sich über verschiedene Themen aus. Als Crick Pauling fragte, ob er schon einmal über konjugierte Helices nachgedacht habe, bejahte Pauling dies. Nach seiner Rückkehr in die USA setzte Paulin seine Forschungen auf diesem Gebiet fort und reichte im Oktober ein umfangreiches Manuskript bei der Zeitschrift Nature ein.
„Studien konjugierter Helices enthüllen eine tiefe Verbindung zwischen der Struktur und Funktion von Proteinen.“
Crick glaubte, Paulin hätte seine Ideen plagiiert und reichte einige Tage später einen kürzeren Artikel bei Nature ein. Nach wiederholtem Briefwechsel und Kontroversen gab Cricks Labor schließlich bekannt, dass beide Parteien unabhängig voneinander zu dieser Schlussfolgerung gelangt seien und kein geistiger Diebstahl vorliege.
Molekülstruktur
Konjugierte Helices enthalten typischerweise ein sich wiederholendes Muster – hxxhcxc, das eine Wiederholung von hydrophoben (h) und geladenen (c) Aminosäureresten ist, bekannt als Heptad-Wiederholung. In der Heptad-Repeat-Sequenz werden die Positionen a und d üblicherweise durch hydrophobe Aminosäuren wie Isoleucin, Leucin oder Valin besetzt. Diese sich wiederholenden Sequenzen sind zu einer Alpha-Helix-Struktur gefaltet, wobei die hydrophoben Reste der ineinander verschlungenen Alpha-Helices als „Streifen“ erscheinen und eine amphipathische Struktur bilden.
„Die dichte Packung der konjugierten Helices sorgt für eine starke thermodynamische Antriebskraft.“
Alpha-Helices können parallel oder antiparallel angeordnet sein und haben üblicherweise die Form einer linksgängigen Superspule. Obwohl ungewöhnlich, können rechtsgängige Helices in kleinen Mengen sowohl in natürlichen als auch in künstlichen Proteinen beobachtet werden.
Biologische Rollen
Da konjugierte Helixstrukturen in vielen Proteinen vorkommen, tragen sie zur Ausführung verschiedener Funktionen in der Zelle bei. Der Hauptzweck besteht darin, die Wechselwirkung zwischen Proteinen zu erleichtern und sie oder ihre Regionen miteinander zu verbinden. Zur Charakterisierung dieser Funktionen gehören unter anderem Membranfusion, molekulare Abstände, Oligomermarkierung, Vesikelmotilität und Zellarchitektur.
Membranfusion
Die konjugierte helikale Domäne spielt bei der HIV-Infektion eine wichtige Rolle. Wenn die drei gp120-Untereinheiten an den CD4-Rezeptor und den Kernrezeptor binden, dringt das Virus in CD4-positive Zellen ein. gp120 und gp41 sind über Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden. Letztendlich wird die Fusionspeptidsequenz am N-Terminus von gp41 an der Wirtszelle fixiert und bringt über einen Feder-und-Uhr-Mechanismus das Virus und die Zellmembranen nahe genug zusammen, um die Fusion zu ermöglichen.
Als molekularer Abstandshalter
Die Struktur der konjugierten Helix kann auch als molekularer Abstandshalter innerhalb von Zellen dienen und ihre Länge bleibt stark konserviert. Die Funktion dieser Abstandshalter besteht darin, unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Proteinregionen zu verhindern oder den Vesikeltransport innerhalb der Zelle zu vermitteln. Ein Beispiel hierfür ist Omp-α in T. maritima.
Als Oligomermarker
Aufgrund ihrer spezifischen Interaktivität können konjugierte Helices als „Markierungen“ verwendet werden, um bestimmte oligomere Zustände zu stabilisieren oder zu verstärken. Die Studie zeigte, dass konjugierte helikale Interaktionen die Polymerisation der BBS2- und BBS7-Untereinheiten des BBSome vorantreiben.
Biomedizinische Anwendungen
Als Baustein mit einfachem Design und vielfältigen Funktionen wurden konjugierte Helices in den letzten Jahren bei der Entwicklung vieler Nanostrukturen verwendet. Sie sind möglicherweise in Bereichen wie Arzneimittelverabreichung, Geweberegeneration und Proteinfaltung von Nutzen.
„Konjugierte Helices können Arzneimittelverabreichungssystemen Stabilität und Spezifität verleihen und so die therapeutische Wirksamkeit verbessern.“
Darüber hinaus ist es durch Ausnutzung der oligomeren Kapazität konjugierter Helices möglich, die Antigenpräsentation in Impfstoffen zu erhöhen und dadurch deren Wirksamkeit zu verbessern. Um die Stabilitätsprobleme zu überwinden, sind jedoch weiterhin kontinuierliche Erkundungen und Forschungen erforderlich.
Von antiviralen Reaktionsstrategien bis hin zur Koordination von Zellteilungsprozessen kann die Bedeutung konjugierter Helices in den Biowissenschaften nicht ignoriert werden. Die möglichen Anwendungen dieser Struktur könnten uns in Zukunft dabei helfen, weitere Geheimnisse des Lebens zu entschlüsseln. Sind Sie bereit, diese endlosen Möglichkeiten zu erkunden?
