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Biochemie: Klein und gemein

Prionen heißen die merkwürdigen Proteine, die sich in gefährliche Krankheitserreger verwandeln können. Doch nicht nur bei Rinderwahn und Co, auch bei anderen neurodegenerativen Krankheiten spielen umgefaltete Proteine eine üble Rolle.
RNase ALaden...
Der Wirbel hat sich gelegt. Doch für die Wissenschaft sind Prionen, jene "proteinartigen infektiösen Partikel", die den Fleischkonsumenten in Angst und Schrecken versetzt haben, immer noch ein Thema. Wenn auch die ketzerische Idee des Nobelpreisträgers Stanley Prusiner, dass Proteine ohne Nukleinsäuren sich selbst vermehren und Krankheiten auslösen können, weit gehend akzeptiert ist, weiß niemand so genau, warum harmlose Eiweißmoleküle solch fatale Konsequenzen wie Rinderwahnsinn und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit nach sich ziehen können.

Bekannt ist nur, dass es von einem Prionen-Protein (PrP) zwei Formen gibt: Sobald die harmlose Variante – nennen wir sie PrPsen – mit ihrer bösen Schwester namens PrPres konfrontiert wird, verwandelt sie sich ihrerseits in die PrPres-Variante, die sich auf neue PrPsen-Formen stürzen kann. Eine Kettenreaktion, bei der faserige Proteinknäuel entstehen und die – wenn sie nicht im Reagenzglas, sondern im Gehirn abläuft – tödlich endet.

Ob die entstandenen Proteinfasern die Zerstörungen im Gehirn unmittelbar auslösen, oder ob sie nur eine Begleiterscheinung von Prionen-Erkrankungen sind, weiß auch niemand. Dennoch verfolgen viele Mediziner die Idee, die Kette zu stoppen, indem sie versuchen, die verklumpten Proteinfasern wieder aufzulösen. Doch dieser Weg könnte genau das Gegenteil bewirken, meinen die Forscher um Jay Silveira [1].

Die Wissenschaftler von den Rocky-Mountain-Labors des National Institute of Allergy and Infectious Diseases haben sich bei Hamstern näher angeschaut, welche Prionen-Partikel infektiös sind. Und das Ergebnis überrascht. Denn es waren nicht die langen, im Mikroskop gut sichtbaren Proteinfasern, die sich als gefährlich erwiesen. Vielmehr zeigten sich sehr kleine Prion-Aggregate, die lediglich aus 14 bis 28 Molekülen bestanden, wesentlich infektiöser als die langen Ketten. Nur die Aggregate, die aus weniger als fünf Einheiten bestanden, blieben harmlos. Wird nun – mit welchen Mitteln auch immer – versucht, die Prionenfasern zu knacken und in kleinere Einheiten aufzubrechen, entstehen just die hoch infektiösen Partikel, warnen die Forscher.

Doch wie kommt es überhaupt dazu, dass sich Proteine in einem autokatalytischen Prozess selbst in eine neue Struktur mit neuen Eigenschaften umwandeln? Schließlich widerspricht das einem zentralen Dogma der Proteinchemie, das der Biochemiker Christian Anfinsen vor fünfzig Jahren in mühevoller Arbeit aufgestellt hat: Die Sequenz bestimmt die Konformation. Mit anderen Worten: Allein die Reihenfolge der Bausteine, die Aminosäuresequenz, legt fest, welche räumliche Gestalt ein Protein als energetisch günstigsten Zustand einnehmen wird.

Die Wissenschaftler um Shilpa Sambashivan von der Universität von Kalifornien in Los Angeles versuchten nun, Anfinsens Hypothese auszutricksen – und zwar genau mit jenem Protein, für dessen Strukturaufklärung Anfinsen 1972 den Chemie-Nobelpreis bekommen hatte: Ribonuklease [2].

RNase ALaden...
RNase A | Das Enzym RNase A wird durch vier Disulfidbrücken stabilisiert (links). Die Forscher bauten hinter der Aminosäure Nummer 112 ein kurzes Stück aus zehn Glutaminresten ein, sodass das Molekül in der Mitte aufklappbar wurde (Mitte). Dadurch konnten sich mehrere aufgeklappte Moleküle zu einer Kette aneinanderlagern (rechts).
Den Forschern gelang bei dem kurz RNase A genannten Protein eine kleine, aber entscheidende Veränderung: Auf Position 112 bauten sie ein kurzes Stück mit zehn Molekülen der Aminosäure Glutamin ein. Dadurch erhielt das Protein, dessen Struktur durch Disulfidbrücken stabilisiert wird, eine Art Gelenk, mit dem sich das Riesenmolekül aufklappen lässt. Thermodynamisch bleibt die geschlossene Form die stabile Variante, doch ab und zu wird sich das eine oder andere der veränderten RNase-Moleküle öffnen. Lagert sich nun zufälligerweise das eine Ende eines geöffneten Moleküls an das andere Ende einer zweiten geöffneten RNase, dann entsteht eine kurze Kette, die – und das ist das Spannende – thermodynamisch wieder stabil ist. Das Gleichgewicht wird demnach in Richtung Kette verschoben, immer mehr geöffnete RNasen lagern sich an, die Kette wächst wie von allein weiter.

Und genau nach diesem Prinzip könnten sich Prionen oder auch andere Proteinstrukturen, wie beispielsweise die berüchtigten Alzheimer-Plaques, zu ihrer gefährlichen Form zusammenlagern – mit den bekannten Konsequenzen.
08.09.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 08.09.2005

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