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Versteckte Strukturen in Zellen: Wie steuern konjugierte Helices biologische Funktionen?
Im Lebensablauf ist die Interaktion zwischen Molekülen der Grundstein für die Funktion von Organismen. Unter ihnen ist die konjugierte Spule ein auffälliges Strukturmotiv, das in etwa 5–10 % aller Proteine vorkommt. Diese Struktur besteht aus 2 bis 7 Alphahelices, die wie ein Seil miteinander verflochten sind. Diese Helices sorgen nicht nur für Stabilität, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression und anderer biologischer Funktionen.
Das konjugierte Helixmotiv ermöglicht es vielen Proteinen, miteinander zu interagieren und komplexe Zellstrukturen zu bilden.
Entdeckung der konjugierten Helix
Das Konzept der konjugierten Helix wurde erstmals unabhängig voneinander von Linus Pauling und Francis Crick vorgeschlagen. Im Sommer 1952 besuchte Pauling Cricks Labor. Die beiden Wissenschaftler diskutierten über viele Themen und Crick fragte Pauling plötzlich, ob er jemals über den Begriff „konjugierte Helix“ nachgedacht habe. Paulin sagte, er habe darüber nachgedacht, und dieses Gespräch habe ihn dazu veranlasst, das Thema nach seiner Rückkehr in die USA weiter eingehend zu studieren und einen langen Artikel bei der Zeitschrift Nature einzureichen.
Cricks Arbeit war zwar kürzer, erschien aber vor der von Pauling und löste in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Kontroverse aus.
Nach zahlreichen Gesprächen und Diskussionen bestätigte Cricks Labor schließlich, dass die Idee von den beiden Wissenschaftlern unabhängig voneinander entwickelt worden sei und kein Diebstahl geistigen Eigentums vorliege. Cricks Beitrag bestand darin, das Konzept der „konjugierten Helix“ vorzuschlagen und eine mathematische Methode zur Bestimmung ihrer Struktur bereitzustellen.
Molekülstruktur
Die konjugierte Helix besteht normalerweise aus einem sich wiederholenden Muster (hxxhcxc) von hydrophoben (h) und geladenen (c) Aminosäureresten, das als Heptad-Repeat bezeichnet wird. Innerhalb dieser Wiederholung werden die Positionen mit abcdefg gekennzeichnet, wobei a und d wasserstoffhydrophobe Positionen sind, die typischerweise von Isoleucin, Leucin oder Valin besetzt sind. Wenn eine Sequenz dieses sich wiederholende Muster aufweist und sich zu einer alpha-helikalen Sekundärstruktur faltet, erscheinen die wasserstoffhydrophoben Reste als ein „Streifen“, der sich um die Helix windet und eine amphipathische Struktur bildet.
Die Wechselwirkungen zwischen den konjugierten Helices liefern die thermodynamische Antriebskraft für die Bildung von Polymeren.
Biologische Auswirkungen
Konjugierte Helices werden hauptsächlich verwendet, um Wechselwirkungen zwischen Proteinen zu fördern, indem sie Proteinen oder Domänen dabei helfen, sich aneinander zu binden. Diese Eigenschaft ist für eine Reihe biologischer Funktionen von entscheidender Bedeutung, darunter die Membranfusion, die molekulare Abstände und Funktionen im Zusammenhang mit der Vesikelmotilität.
Membranfusion
Die konjugierte helikale Domäne spielt bei der HIV-Infektion eine wichtige Rolle. Wenn das Virus in eine CD4-positive Zelle eindringt, bindet das Glykoprotein gp120 an den CD4-Rezeptor und den Kernrezeptor. An diesem Punkt bilden gp120 und gp41 einen ternären Komplex und leiten letztendlich die Fusion von Virus und Zellmembran durch einen Konjugationsmechanismus. Die N-terminale Fusionspeptidsequenz von gp41 wird in der Wirtszelle fixiert, um die Fusion zu erreichen. Um diesem Prozess entgegenzuwirken, wurden vor kurzem Inhibitoren auf Basis der HR2-Region namens Fuzeon entwickelt, die die Infektionsfähigkeit von HIV verringern sollen.
Als molekularer Abstandshalter
Das konjugierte Helixmotiv kann auch als Trennzeichen zwischen Objekten innerhalb von Zellen dienen. Die Länge dieser molekularen Abstandshalter, konjugierte helikale Domänen, bleibt erhalten und, was entscheidend ist, sie verhindern Wechselwirkungen zwischen Proteindomänen. Ein typisches Beispiel ist das Omp-α-Protein, das den Abstand zwischen den Komponenten durch konjugierte Helices aufrechterhält.
Design und Anwendung
Konjugierte Helices bieten eine Designlösung für das Problem der Proteinfaltung. Durch die Untersuchung der konjugierten Helix von GCN4 haben Wissenschaftler eine Grammatik entwickelt, mit der der oligomere Zustand anhand der Aminosäuresequenz effektiv vorhersagen kann. Dadurch wird die Nutzung konjugierter Helices bei der Synthese von Nanostrukturen möglich, was die Entwicklung neuer Systeme zur Arzneimittelabgabe fördert.
Unter Ausnutzung der Funktionalität konjugierter Helices entwickeln Wissenschaftler präzisere Mechanismen zur Arzneimittelverabreichung, um die therapeutische Effizienz zu verbessern.
Durch die eingehende Untersuchung der konjugierten Helixstruktur wird sich ihr Anwendungspotenzial in Bereichen wie Medizin, Biotechnik und Nanotechnologie in Zukunft zweifellos weiter erweitern. Wie können wir diese mysteriöse Struktur nutzen, um unser Verständnis davon, wie das Leben funktioniert, zu verändern?
