WikiDer > Levinthal-Paradoxon
Das Levinthal-Paradoxon ist ein Gedankenexperiment im Bereich Faltung Protein.
1969 bemerkt Cyrus Levinthal Beachten Sie, dass ein Proteinmolekül im ungefalteten Zustand eine enorme Anzahl möglicher Konformationen aufweist. In einem seiner Werke schätzte er diese Zahl auf . EIN Polypeptid ab 100 Aminosäuren hat beispielsweise 99 Peptidbindungen und somit 198 verschiedene Phi- und Psi-Bindungswinkel. Wenn jeder dieser Bindungswinkel in einer von drei stabilen Bindungskonformationen existieren kann, kann das Protein falsche Formationen falten. Wenn also ein Protein seine korrekt gefaltete Konfiguration durch Ausprobieren aller Formationen erhalten würde, würde es länger dauern als das Alter des Universums, um die richtige Konformation zu erreichen, selbst wenn die Konformationen sehr schnell wären (in pico- oder Nanosekunden) werden ausprobiert. Das Paradox ist, dass sich kleine Proteine selbst auf einer Zeitskala von Milli- oder Mikrosekunden richtig falten können. Dieses Paradox ist von zentraler Bedeutung für die Vorhersage von Proteinstrukturen.
Levinthal selbst war sich bewusst, dass sich Proteine spontan und in kurzer Zeit falten und somit eine beliebige Konformation unmöglich war: In seiner Arbeit wurde auch die Lösung des Paradoxons diskutiert. Christian Anfinsen kam auf die Idee, dass sich Proteinstrukturen aus der Aminosäuresequenz vorhersagen lassen. Seine Idee war, dass eine Summe aller interatomaren Wechselwirkungen in jeder Konformation gefunden werden könnte und die Konformation mit der niedrigsten Energie gefunden werden könnte. Levinthal schlug jedoch vor, dass eine stabile Struktur eine höhere Energie haben könnte, wenn die niedrigste Energie kinetisch nicht erreichbar wäre. Levinthal stellte fest, dass „die Proteinfaltung beschleunigt wird und von der schnellen Bildung lokaler Wechselwirkungen begleitet wird, die anschließend die weitere Faltung der Peptid regulieren; Dies weist auf lokale Aminosäuresequenzen hin, die stabile Wechselwirkungen eingehen und als Schlüsselpunkte im Faltungsprozess fungieren.“ Spätere Arbeiten im Bereich Proteinfaltung haben darauf hingewiesen, dass die Faltung durch trichterartige Energielandschaften getrieben wird, die die Zahl der Realisierungsmöglichkeiten reduzieren. Eine Reihe numerischer Ansätze zur Vorhersage der Proteinstruktur haben versucht, den Mechanismus der Proteinfaltung zu identifizieren und zu simulieren, waren jedoch bisher erfolglos.