Proteine

Proteine
Dr. Katja Arndt
Institut für Biologie III
http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka
K. M. Arndt, 2007
Proteine
Bezeichnung Protein wurde 1838 von Jöns Jakob
Berzelius aus der griechischen Sprache abgeleitet
πρωτευω, proteuo, „ich nehme den ersten Platz ein“,
πρωτος, protos, „erstes“, „wichtigstes“
K. Arndt, 2007
Proteine – Dies und Das
•
Titin, das größte bekannte menschliche Protein, besteht aus über
30 000 Aminosäuren und beinhaltet 320 Proteindomänen
Titin (grün) einer
Herzmuskelzelle hält andere
Proteine an ihrem Platz
•
Anzahl möglicher unterschiedlicher Aminosäureketten gigantisch:
20 verschiedenen Aminosäuren, Kettenlänge 75 AS:
→ 2075 bzw. 1097 Verknüpfungsmöglichkeiten
•
Für Wirkungsweise der Proteine ist räumliche Struktur (ihre
Faltung) besonders wichtig.
K. Arndt, 2007
Bedeutung von Proteinen
Charakteristische Protein-Eigenschaften abhängig von:
•
Auswahl der Aminosäuren in der Polypeptidkette
•
Reihenfolge der Aminosäuren = Aminosäuresequenz
•
Länge der dadurch gebildeten Polypeptidkette
•
Räumliche Anordnung der Polypeptidkette(n) in verschiedenen
Hierarchiestufen
Biologische Bedeutung von Proteinen:
•
Strukturproteine sind am Aufbau von Zellen und Organellen
beteiligt
•
Funktionsproteine steuern wichtige Stoffwechselprozesse z.B.
als Enzyme und Hormone
K. Arndt, 2007
Einteilung Proteine
Proteine
Proteine
Faserproteine
Faserproteine
Skleroproteine
Skleroproteine
Langgestreckte
Langgestreckte und
und fadenfadenförmige
förmige Polypeptidketten,
Polypeptidketten, oft
oft
nebeneinander
nebeneinander angeordnet.
angeordnet.
Meist
Meist viele
viele intermolekulare
intermolekulare HHBrücken
Brücken ⇒
⇒ starker
starker innerer
innerer
Zusammenhalt,
Zusammenhalt, überwiegend
überwiegend
wasserunlöslich.
wasserunlöslich.
Beispiele
Beispiele
•• Keratin:
Keratin: Haare,
Haare, Horn,
Horn, Wolle
Wolle
•• Kollagen:
Kollagen: Sehnen,
Sehnen, Knorpel
Knorpel
•• Myosin:
Myosin: Muskeleiweiß
Muskeleiweiß
•• Fibroin:
Fibroin: Seidenfasern
Seidenfasern
Globuläre
Globuläre Proteine
Proteine
Sphäroproteine
Sphäroproteine
Zusammen
Zusammen gefaltete,
gefaltete, häufig
häufig
kugelförmige
kugelförmige Strukturen.
Strukturen.
Hydrophobe
Hydrophobe AS-Seitenketten
AS-Seitenketten
ins
ins Molekülinnere
Molekülinnere gerichtet,
gerichtet,
hydrophile
hydrophile Seitenketten
Seitenketten auf
auf
der
der Oberfläche
Oberfläche ⇒
⇒
Ausbildung
Ausbildung von
von H-Brücken
H-Brücken mit
mit
umgebenden
umgebenden Wassermolekülen
Wassermolekülen
⇒
⇒ gut
gut wasserlöslich.
wasserlöslich.
Beispiele
Beispiele
•• Enzyme:
Enzyme: Biokatalysatoren
Biokatalysatoren
•• Hormone:
Hormone: Botenstoffe
Botenstoffe
•• Antikörper:
Antikörper: Immunabwehr
Immunabwehr
K. Arndt, 2007
Proteine
K. Arndt, 2007
Erlaubte Konformationen in der Peptidkette
so nicht ->
K. Arndt, 2007
Ramachandran-Diagramm
Helices in Proteinen sind rechtsgängig
K. Arndt, 2007
Primärstruktur
Primärstruktur: Reihenfolge der Aminosäuren = Aminosäuresequenz
in einem Protein.
•
Da sich 20 verschiedene Aminosäuren in beliebig vielen
Kombinationen zu Ketten anordnen lassen, existiert praktisch eine
unerschöpfliche Vielfalt an Proteinen.
•
Für ein Polypeptid aus 75 Aminosäuren existieren theoretisch 3.8
·1097 verschiedene Sequenzen!
+H
3N-Phe-Ala-Val-Ser-Asp-Gly-Ala-Thr-Leu-Lys-COO
N-terminales
Ende
•
C-terminales
Ende
Neben den Ladungen der endständigen Aminosäuren treten in den
Seitenketten der sauren und alkalischen Aminosäuren bei bestimmten
pH-Werten weitere Ladungen auf.
K. Arndt, 2007
Sekundärstruktur
Sekundärstruktur: sich regelmäßig wiederholende räumliche
Anordnung der Proteinkette.
Es gibt zwei besonders wichtige Sekundärstrukturen:
•
α-Helix:
Das O-Atom der Carboxylgruppe in der Polypeptidkette geht eine HBrückenbindung mit dem H der Aminogruppe der 4. folgenden
Aminosäure ein (daher: 3.6 AS pro Drehung).
•
β-Faltblatt:
H-Brücken verlaufen zwischen zwei benachbarten Polypeptidketten.
K. Arndt, 2007
Sekundärstrukturen: α-Helix
•
•
•
•
Ausbildung intramolekularer Wasserstoffbrücken zwischen NH- und C=OGruppen hintereinander liegender Aminosäuren (i→i+4).
Die Geometrie der Helix ist durch H-Brücken stark stabilisiert.
Das Rückgrat der Helix beschreibt eine schraubige Windung.
Die Seitenketten zeigen vom Zylinder nach außen.
H-Brücken
3,6 Aminosäuren pro
Windung
K. Arndt, 2007
Sekundärstruktur: α-Helices
K. Arndt, 2007
Ramachandran-Diagramm
Helices in Proteinen sind rechtsgängig
K. Arndt, 2007
Sekundärstrukturen: β-Faltblatt
•
•
•
Ausbildung intermolekularer Wasserstoff-brücken zwischen
mindestens zwei parallel oder antiparallel liegenden Proteinketten.
Im zick-zack verlaufende Kette
Die Reste ragen aus der gebildeten Ebene nach oben und unten
Peptidkette
Faltblatt
H-Brücke
K. Arndt, 2007
Paralleles und antiparalleles β-Faltblatt
Paralleles Faltblatt
Antiparalleles Faltblatt
K. Arndt, 2007
Sekund
ärstrukturen
von Proteinen
Sekundärstrukturen
Antiparalleles
β-Faltblatt
"Rückgrat"
N
C
C
Cα
N
Cα
C
N
Cα
Cα
N
C
C
Cα
N
N
Cα
C
C
N
Cα
C
N
Cα
Sekund
ärstrukturen
von Proteinen
Sekundärstrukturen
Antiparalleles
β-Faltblatt
"Rückgrat"
N
C
C
Cα
N
Cα
C
N
Cα
Cα
N
C
C
Cα
N
N
Cα
C
C
N
Cα
C
N
Cα
Sekund
ärstrukturen
von Proteinen
Sekundärstrukturen
Antiparalleles
β-Faltblatt
"Rückgrat"
+ CO
O
N
O
C
Cα
N
Cα
N
C
Cα
C
N
Cα
O
O
O
C
O
Cα
O
C
N
C
N
Cα
C
O
Cα
C
N
N
Cα
Sekund
ärstrukturen
von Proteinen
Sekundärstrukturen
Antiparalleles
β-Faltblatt
"Rückgrat"
+CO, +NH
H
O
N
C
Cα
N
Cα
C
O
N
H
O
N
C
Cα
C
N
Cα
C
O
H
O
O
H
O
H
C
N
C
N
H
Cα
H
Cα
C
O
Cα
N
H
Cα
Sekund
ärstrukturen
von Proteinen
Sekundärstrukturen
Antiparalleles
β-Faltblatt
H
O
N
C
Cα
C
O
Cα
N
N
H
Cα
H
O
N
C
Cα
C
"Rückgrat"
+CO, +NH
+ H-Brücken
N
Cα
C
H
O
H
O
O
H
O
H
C
N
C
N
Cα
C
O
Cα
N
H
Cα
Sekund
ärstrukturen
von Proteinen
Sekundärstrukturen
Antiparalleles
β-Faltblatt
Blick von der Seite
NH
N
CO
R
R
Cα
Cα
CO
NH
NH
CO
Cα
Cα
R
R
CO
Sekundärstruktur: β-Faltblätter
β-Helices werden aus β-Faltblättern gebildet (z.B. Pectat Lyase 2pec)
K. Arndt, 2007
Ramachandran-Diagramm
Helices in Proteinen sind rechtsgängig
K. Arndt, 2007
Aminosäuren haben Präferenzen
Helix-Bildner/Sheet-Brecher
Sheet-Bildner/Helix-Brecher
K. Arndt, 2007
Vorhersage von Sekundärstrukturen
K. Arndt, 2007
Tertiärstruktur
= Dreidimensionale Konformation eines Proteins (globulär/fibrillär)
• Zusammengehalten durch:
• Wasserstoffbrücken
• Ionenbindungen
• Hydrophope Bindungen im Innern des Moleküls
• Disulfidbrücken
Cys
S
S
Ile
H3C CH
Disulfidbrücke
van-der-Waals- CH 2
Kräfte CH 3
Cys
O
Glu
-
O
H
H Wasserstoffbrücken
O
O
C
Asp
CH2
CH CH3
Asp
C
CH3
COO
NH3
Ile
+ Ionenbindung
Lys
K. Arndt, 2007
Strukturgebende Elemente
K. Arndt, 2007
Flexibilität
• Chemische Bindung sind
flexibel bei Temperaturen>0 K
• Flexibilität variiert im Protein
• Wichtig z.B. für
Enzymaktivität
K. Arndt, 2007
Stabilisierung durch post-translationale Modifikation
Disulfidbrücke
(Trypsininhibitor)
Cofaktor-Bindung
(Cytochrom c)
Koordinierung von Ionen
(Ca2+ in Subtilisin)
K. Arndt, 2007
Protein-Domäne
Proteindomänen
• besitzen hydrophoben Kern
• falten häufig autonom und stabil
• ermöglichen modularen Aufbau von Proteinen
(häufig bei Proteinen der Signaltransduktion)
• ähnliche Proteindomänen können durch Genduplikation entstehen
Zwei ähnliche
Proteindomänen
(Thioesterase)
K. Arndt, 2007
Klassifizierung von Protein-Domänen
Klassifizierung nach Sekundärstruktur-Elementen
5 Klassen:
•
Alpha-Domänen:
nur α -Helices
•
Beta-Domänen:
nur β-Sheets
•
Alpha/Beta-Domänen:
β-Sheets verbunden durch helikale
Segmente
•
Alpha+Beta-Domänen:
separate α-Helices und β-Sheets
•
Vernetzte Domänen: (crosslinked domains): stabilisiert durch
Disulfid-Brücken oder Metallionen
K. Arndt, 2007
Alpha-Domänen
4-Helix-Bündel
(Myohemerythrin)
Sauerstofftransport
Nukleinsäurebindung
Elektronentransport
Globin-Fold
(Myoglobin)
Tasche aus 8 Helices,
Bindung org. oder
org.metallischer Moleküle
K. Arndt, 2007
Beta-Domänen
Immunglobulin Fold
(Immunglobulin A)
Antiparallele β-Sheets
Jelly Roll
(Bakteriochlorophyll A)
Antiparallele β-Sheets
K. Arndt, 2007
Seidenprotein bildet Beta-Sandwich
Seidenspinner (Maulbeerspinner)
Bombix mori
K. Arndt, 2007
Alpha/Beta-Domänen
alpha/beta Twist
(Asp Semialdehyd-Dehydrogenase)
alpha/beta Barrel
(TIM barrel)
10% aller Enzymstrukturen
alpha/beta Sattel
(TATA bindendes Protein)
K. Arndt, 2007
Quartärstruktur
•
•
Bei Proteinen, die aus mehr als 2 Untereinheiten bestehen
Räumliche Anordnung der Polypeptidketten
K. Arndt, 2007
Strukturebenen Proteine
Hämoglobin
Primärstruktur:
Aminosäuresequenz
Sekundärstruktur:
α-Helix oder
Faltblattstruktur
Tertiärstruktur:
Faltung im Raum
Quartärstruktur:
Zusammenlagerung
mehrerer
Proteinketten
K. Arndt, 2007
Kleine Änderung – große Wirkung
Punktmutation im Hämoglobin Glu6Val führt zur Sichelzell-Anämie
K. Arndt, 2007
Kleine Änderung – große Wirkung
Punktmutation im Hämoglobin Glu6Val führt zur Sichelzell-Anämie:
Bildung von Polymeren durch hydrophoben Bereich auf der Oberfläche
K. Arndt, 2007
Quartärstrukturen
K. Arndt, 2007
Quartärstrukturen
K. Arndt, 2007
Protein Faltung
Denaturierung
denaturiertes Protein
Faltung/
Renaturierung
natives Protein
K. Arndt, 2007
Chaperone helfen bei der Faltung
K. Arndt, 2007
Protein- Interaktionsnetzwerk einer Hefezelle
•
Diese “Karte” aus publizierten
Interaktionsdaten
rekonstruiert
•
enthält 1548 Proteine, die
durch 2358 Interaktionen
verbunden sind.
•
Proteine sind dabei anhand
ihrer biologischen Funktion
angefärbt:
–
Proteine, die bei der
Membranfusion eine Rolle
spielen sind blau,
–
Chromatinproteine grau,
–
Strukturproteine grün,
–
Fettstoffwechsel gelb,
–
Zellteilung rot.
K. Arndt, 2007
Coiled Coil – eine wichtige Interaktionsdomäne
... Gene Regulation
... Cell Signaling
... Membrane Fusion
Traf domain (1QSC)
bZIP domain (1FOS)
Snap 25/Snare
Complex (1JTH)
bHLH-ZIP domain (1NKP)
... Force Generation
... Viral Infection
... Cell Division
... Fertilization
Kinesin Motor
Protein, Ncd
(1N6M)
SIV Gp41(1QBZ)
Tropomyosin (2TMA)
K. Arndt, 2007
The Coiled-Coil Motif
heptad repeat: ( a – b – c – d – e – f – g )n
Top view
Side view
(from N- to C-terminus)
solvent exposed (b, c, f)
b
N
a'1
N
d4
g7
e'5
a'8
d11
g14
e'12
a'15
d18
g21
e'19
a'22
d25
g28
e'26
C
a'29
C
Helix A
Helix B
f
c
g
e
d
hydrophobic a
interactions d'
(a, d)
g'
c'
a'
e'
f'
ionic
interactions
(e, g)
b'
K. Arndt, 2007
α-Keratin
z.B. in:
• Haar
• Wolle
• Nägeln
• Hufen
K. Arndt, 2007
α-Helix im Vergleich mit Collagen Helix
rechtsgängig
linksgängig
K. Arndt, 2007
Ramachandran-Diagramm
Helices in Proteinen sind rechtsgängig
K. Arndt, 2007
Collagen
z.B. in:
• Knochen
• Zähne
• Knorpel
• Sehnen
• Bänder
• Haut
K. Arndt, 2007
Proteinstrukturen
K. Arndt, 2007
Röntgenkristallographie
K. Arndt, 2007
PDB Datenbank
Sämtliche publizierte Strukturen sind in der PDB Datenbank abgelegt
www.pdb.org
K. Arndt, 2007
Programme für 3D Molekülstrukturen
Beispiele für Freeware:
Swiss pdb Viewer:
http://expasy.org/spdbv/
Pymol:
http://pymol.sourceforge.net/
K. Arndt, 2007
Struktur der β-Lactamase
Bändermodell
K. Arndt, 2007
Lactamase mit Hydrathülle
Strichmodell
K. Arndt, 2007
Lactamase Kalottenmodell
Struktur ohne H2O mit K+ und PO43-
K. Arndt, 2007
Die Oberfläche eines Proteins (z.B. Lactamase)
Abstand zum
Liganden
K. Arndt, 2007
Die Oberfläche eines Proteins II
Elektrostatik
Hydrophobizität
K. Arndt, 2007
Enzyme - Flexibilität
offen
geschlossen
TriosephosphatIsomerase
Schleife schließt das
aktive Zentrum
Myoglobin
je heller, desto flexibler
K. Arndt, 2007
Enzyme - Flexibilität
T4 Lysozym
zwei Domänen durch
Scharnier verbunden
Aspartat Aminotransferase
Substratbindestelle zwischen
Domänen
grün offen, gelb geschlossen
K. Arndt, 2007
Methoden der Proteinbiochemie
K. Arndt, 2007
Protein-Löslichkeit in Abhängigkeit der Ionenstärke
K. Arndt, 2007
Dialyse zum Umpuffern
K. Arndt, 2007
Auftrennung von Proteingemischen: Gelelektrophorese
K. Arndt, 2007
Chromatographie
Größenausschlusschromatographie / Gelfiltration
K. Arndt, 2007
Protein Metabolismus
K. Arndt, 2007
Protein Abbau durch Proteasomen
K. Arndt, 2007
Aminosäure-Metabolismus
Nahrungsproteine
Aminosäure-Pool
andere N-haltige
Substanzen
Proteine, Enzyme
Kohlenstoff-Skelett
Acteyl-CoA
NH4+
Pyruvat,
Intermediate des
Citrat-Cyclus
ATP-Produktion
oder
Harnstoff
Glukose
K. Arndt, 2007
Warum Aminostoffwechsel ?
• Aminosäuren wichtig für Protein-Biosynthese.
• Zellen können Amino-Gruppe nicht vollständig zu N2 oxidieren.
• Primäres Abbauprodukt ist Ammoniak (= NH3) – toxisch!
• Umwandlung in nicht-toxisches, gut wasserlösliches Molekül:
Harnstoff
K. Arndt, 2007
Stoffwechsel der Aminogruppen
Peripherie
versch. AS
Glutamat
NH3
Glutamin
Leber (Umbau und Abbau)
Glutamin
NH3
Niere
COO−
|
H3N+ — Cα — H
|
CH2
|
CH2
|
H2N — C = O
Glutamin
Glutamat
α-Ketoglutarat
NH3
Harnstoff
Harnstoff
K. Arndt, 2007
Mitochondrium
HCO3
−
CarbamoylphosphatSynthetase
O
||
H2N—C~ P
CarbamoylPhosphat
Cytosol
α-Ketoglutarat, 2[H]
NH4+
Glutamat
2 ATP
2 ADP+Pi
OrnithinCarbamoylTransferase
P
NH2
|
C=O
|
CH2—NH
|
CH2
|
CH2
|
H—C—NH3+
|
COO−
Citrullin
CH2—NH3+
|
CH2
|
CH2
|
H—C—NH3+
|
COO−
Ornithin
Arginase
H2N—C—NH2
||
O
Harnstoff
Glutamat
ATP
AMP+PPi
COO−
|
H3N+—Cα—H
|
CH2
|
COO−
Aspartat
ArginiosuccinatSynthase
NH2+
COO−
||
|
C—HN—CH
|
|
CH2
CH2—NH
|
|
COO−
CH2
|
CH2
|
H—C—NH3+
|
COO−
NH2+
Argininosuccinat
||
C—NH2
|
CH2—NH
Arginiosuccinat|
Lyase
CH2
|
CH2
H—C—COO−
|
||
H—C—NH3+
−
H—C—COO
|
COO−
Fumarat
Arginin
K. Arndt, 2007