Quelltext der Seite Levinthal-Paradox

Mit dem '''Levinthal-Paradox''' beschrieb [[Cyrus Levinthal]] das Problem der [[Molekularbiologie]], wie eine [[Aminosäure]]kette in kurzer Zeit ihren funktional [[Proteinfaltung|gefalteten]] Zustand als [[Protein]] findet.

== Beschreibung des Problems ==
Das dahinterstehende [[Kombinatorik|kombinatorische]] Problem ist, dass die Anzahl der möglichen Faltungen eines Proteins mit der Länge der Aminosäurekette [[exponentiell]] zunimmt. Selbst wenn jeder Aminosäurerest nur 2 Zustände annehmen könnte, gäbe es bei einer Proteinlänge von ''n'' Aminosäuren <math>2^n</math> mögliche Faltungsvarianten. Würde eine Änderung der Konformation etwa <math>10^{-13}</math> Sekunden benötigen, so bräuchte ein 150 Aminosäuren langes Protein <math>2^{150} \cdot 10^{-13}s = 1,4\cdot 10^{32}s = 4,6 \cdot 10^{24}y</math> also über <math>10^{24}</math> ''Jahre'', um die optimale Konformation zu finden (siehe [[Zeitkomplexität]]). Tatsächlich haben Proteine aber oft nur eine [[Halbwertszeit]] von wenigen Stunden bis Tagen und die physiologisch gefaltete (''native'') Form wird meist schnell eingenommen (Sekundenbruchteile bis Minuten). Die Faltung kann also nicht durch ein zufälliges Ausprobieren aller Möglichkeiten erklärt werden. Vielmehr gibt es natürliche Mechanismen, welche die Ausbildung der optimalen Faltung begünstigen.

== Bedeutung in der Bioinformatik ==

Das Problem dieser „kombinatorischen Explosion“ stellt sich auch bei der [[Simulation]] oder der Berechnung der [[Proteinstruktur]] ''[[in silico]]'', also in der [[Bioinformatik]]: Was bisher über die Mechanismen der Proteinfaltung bekannt ist, lässt sich noch nicht für die Simulation der Faltung verwenden. Daher müssen bei einer Simulation im Wesentlichen alle möglichen Konformationen berechnet werden. Diejenige mit dem niedrigsten [[Gibbs-Energie|Energiezustand]] wird ausgewählt.

== Bedeutung für die Proteinbildung ==

Das Levinthal-Paradox ist im Grunde kein wissenschaftliches Problem, sondern wurde formuliert, um die Komplexität der [[Proteinfaltung]] pädagogisch zu veranschaulichen.

Das Levinthal-Paradox unterliegt der Annahme, die komplette Aminosäurekette suche ihre physiologische dreidimensionale Form erst, nachdem sie vollständig synthetisiert wurde, unter Ausprobieren einer Unzahl möglicher Konformationen. Tatsächlich nimmt jedes Kettenglied nach [[Proteinbiosynthese|Aufnahme in die Sequenz]] die energetisch günstigste Raumrichtung ein, wofür die Zeit bis zum Anfügen des nächsten ausreichend ist. Benachbarte Sequenzabschnitte [[Proteinfaltung|falten]] sich spontan zu kleineren stabilen strukturellen Domänen.

Unterstützende Mechanismen können den Faltungsprozess begleiten, u.&nbsp;a. Faltungshelferproteine, molekulare [[Chaperon (Protein)|Chaperone]] und „Faltungskerne“ (stabile, kleinere Verbände von [[Proteinstruktur|Strukturelementen]], die sich schnell falten und den Rest der Struktur in ein Energieminimum hineinziehen, d.&nbsp;h. die korrekte Struktur „kollabiert“ auf den Faltungskern). Aber auch unphysiologische „Helfer“ können mitmischen, z.&nbsp;B. [[Prion]]en.

==Weblinks==
* [http://www-wales.ch.cam.ac.uk/~mark/levinthal/levinthal.html Levinthals Veröffentlichung in Mossbauer Spectroscopy in Biological Systems: Proceedings of a meeting held at Allerton House]

[[Kategorie:Paradoxon]]
[[Kategorie:Biochemie]]
[[Kategorie:Biophysik]]