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2016.11.18. Prüfungsfrage Struktur von Eiweißen, Proteinfaltung Die Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quaternärstruktur der Eiweißmoleküle. Die Faltung der Proteine: Anfinsen’s Versuch, das von Levinthal aufgestellte Paradoxon, die Theorie der „Faltungs-Trichter“ Lehrbuch 63-69 S. MEDIZINISCHE PHYSIK UND STATISTIK 1. Dr. Tamás Huber Institut für Biophysik 28. Oktober 2016. Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare Kette von Aminosäuren verbunden mit Peptidbindungen Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare Kette von Aminosäuren verbunden mit Peptidbindungen • Aminogruppe ( Ausnahme: Prolin) • Carboxilgruppe • Die unterscheiden sich durch ihre Seitenkette (R) (unterschiedliche Grösse, Ladung, und physikochemische Eigenschaften) Hydrolyse Kondensation Die allgemeine Strukturformel der Aminosäuren. Peptidbindung http://www.u-helmich.de/bio/cytologie/02/021/Proteine/Proteine03-06.html 1 2016.11.18. Aminosäure enthalten tetraedrisch konfigurierte C-Atome mit vier verschiedenen Liganden: Chiralitätszentrum Enantiomere drehen die Schwingungsebene von polarisiertem Licht entweder nach links (-) oder nach rechts (+). In der Natur kommen, von einigen Bakterien einmal abgesehen, ausschließlich L-αAminosäuren vor. Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare Kette von Aminosäuren verbunden mit Peptidbindungen Primärstruktur der Proteine: die Aminosäuresequenz Lineares Polymer = ein Polymer ohne Seitenkette Einige Beispiele: Biopolymer Untereinheit Bindung Nucleinsäure (DNS, RNS) Nucleotide (CTUGA) Kovalent (Phosphodiester) Polysaccharide (z.B.: Glykogen) Zucker (z.B.: Glükose) Kovalent (z.B.: a-Glykosid) Eiweiss Aminosäure Kovalent (Peptidbindung) Eiweiss-Polymere (z.B.: Mikrotubulus) Eiwess (z.B.: Tubulin) Sekundäre (Wasserstoffbrückenbindung , Ionische Bindung, usw.) Die AS werden in der Richtung vom NTerminus (links) zum C-Terminus (rechts) gezählt. Die Hauptkette hat eine monotone Struktur, die Variabilität ist in der Sequenz der Seitenketten. http://www.idn.uni-bremen.de/projects/bingo/12_1/proteine.html http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/proteine/9423 2 2016.11.18. Sekundärsturktur der Proteine: sind Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) stabilisierte Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation. http://www.mpg.de/483834/pressemitteilung200402171 Alfa-Helix • Die Alpha-Helix ist eine der am häufigsten auftretenden regelmässigen Sekundärstrukturen. • Die Polypeptidhauptkette bildet den inneren Teil des Stabes, während die Seitenketten in schraubenartiger Anordnung nach aussen weisen. • Herausbildung: die Peptidebene drehen sich um das zentrale Kohlenatom und als Ergebnis entsteht eine helikale Struktur, die Wasserstoffbindungen stabilisieren. • Die Wasserstoffbindungen entstehen zwischen dem N-Atom und dem Sauerstoffatom der Carboxilgruppe die voneinender 4 Peptidbindung entfernt liegen. • Die H-Brücken sind annähernd paralell zu der Längsachse von Helix. • Die Höhe einer Drehung ist 0.54 nm • 3.6 Aminosäure bilden eine Drehung • Rechtsgängige Helix Acetyltransferase Der 310 helikale Bestandteil Beta-Faltblatt • Die Peptidebenen liegen in Zickzack nebeneinander. • Die Wasserstoffbrücken befinden sich senkrecht zu der Längsachse. • 3 Aminosäure (10 Atome) pro Drehung • Länger und schmaler als eine Alpha-Helix Acetyltransferase • Energetisch ungünstiger als eine Alpha-Helix • Kommt seltener vor, befindet sich eher am Ende der Helix 3 2016.11.18. Die Polyprolin-Helix Die π - Helix Proline • Kürzer und breiter als der kanonische Alpha-Helix • 4.4 Aminosäre/Drehung • Energetisch ungünstiger als eine Alpha-Helix • Kommt seltener vor, befindet sich eher am Ende der Helix Zusammengefasst • Die kommt often vor in Bereiche die sind reich an Prolin. • Die bilden keine Supersekundärstruktur mit Wasserstoffbrückennetzwerken (z.B. als Faltblättern) • 3 Prolin pro Drehung PPI: - Cis-Proline (in entfalteten Peptide sind Proline zu 10 – 20 % in cis-Konformation) - rechtsgängige Helix PPII: - Trans-Proline (gefaltete Proteine haben fast nur trans-Proline;) - linksgängige Helix Tertiärsturktur der Proteine: die vollständige dreidimensionale Struktur der Kette. Die Tertiärstruktur ist das Ergebnis verschiedener intramolekularer Bindungen: 4 2016.11.18. Einige typische Tertiärstrukturen: Quartärsturktur der Proteine: die spezifische räumliche Zuordnung der verschiedenen Polypeptidketten zueinander in Proteinen mit mehreren Untereinheiten Hämoglobin besteht beispielsweise aus 4 Polypeptidketten, nämlich 2 alpha- und 2 beta-Untereinheiten. http://www.biokurs.de/skripten/bs11-10.htm Wie falten sich Proteine? Die Proteinfaltung Zentrales Dogma der Molekularbiologie: Ribonuklease A: 124 AS 1 Kette 4 Disulfidbrücken Warum und wie „faltet“ sich eine Polypeptidkette? 5 2016.11.18. 1. Schritt: Denaturierung eines gefalteten Proteins mit Harnstoff und β-Mercaptoethanol 2. Schritt: Renaturierung eines entfalteten Proteins • Aktivität: 1% • Random Disulfid-Brücken zwischen die 8 Cysteine • 105 verschiedene Möglichkeit (7x5x3x1) Folgerung: die Primärstruktur definiert die 3D Struktur. Die Faltung ist unter thermodynamischer Kontrolle: die native Struktur ist die am thermodynamisch stabilsten Zustand. Denaturierte und reduzierte Ribonuklease Keine Aktivität Native Ribonuklease Frage: Wie kann das Protein seine native, biologisch aktive Konformation ausbilden? Steht die Proteinfaltung unter thermodynamischer oder kinetischer Kontrolle? Die Faltungstrichter Das Levinthal-Paradox (1968) Alle Punkte der Fläche entsprechen einer Konformation des Eiweisses. Freie Enthalpie • Wenn jeder Aminosäurerest nur 2 Zustände annehmen könnte, gäbe es bei einer Proteinlänge von n Aminosäuren 2n mögliche Faltungsvarianten. • Ein Protein mit 100 Aminosäuren hat 2100 verschiedene Konformationen. • Würde eine Änderung der Konformation etwa 1ps benötigen, so bräuchte dieses Protein 1010 Jahre um die optimale Konformation zu finden. Die einzelnen Moleküle suchen den am tiefsten liegenden Punkt. Die Moleküle können verschiedene Strecken bewandern, während sie von der thermischen Bewegung bewegt werden. In Wirklichkeit: es faltet in 1s! • Im Falle vieler untersuchter Proteine setzt die Faltung schon ein, während die Aminosäurekette synthetisiert wird und aus dem Ribosomen austritt. • Damit falten in der Sequenz nahe beieinanderliegende Teile zu kleineren strukturellen Domänen, und ein Durchsuchen einer Unzahl möglicher Konformationen ist gar nicht notwendig. • Es bedeutet dass die Faltung unter kinetischer Kontrolle steht. Freiheitsgrad der Konformationen Das globale Minimum der Fläche entspricht dem nativen Zustand des Eiweisses. Die Moleküle rutschen an der Seite des Trichters in die Richtung des globalen Minimums. 6 2016.11.18. „Fehlfaltung“ von Proteinen kann pathologische Entwicklungen verursachen Die Faltungstrichter Die native Struktur steht unter thermodynamischer Kontrolle (das globale Minimum der freien Enthalpie). https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinfehlfaltungserkrankung Aber! Das Protein erreicht diese Struktur durch intermediäre Konformationen die sich unter kinetischer Kontrolle bilden . Mit Alzheimer kommt es zu einem fortschreitenden Abbau im Gehirn. Im Bild: Hirnschnitte mit Alzheimer (links) und ohne (rechts). Bild: Keystone Molekulare „Chaperone“ für Proteine • Chaperone = „Faltungsenzyme” • = Proteine, die mit einem nicht-nativen Protein interagieren, es stabilisieren oder ihm helfen, seine native Konformation anzunehmen, ohne selbst Teil der finalen funktionalen Struktur zu werden. • Keine direkte sterische Hilfestellung (keine aktive Formgebung) bei der Faltung. • Hitzeschock induziert die Produktion einer Reihe von „Hitzeschockproteinen“ (Chaperone). DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Biologie in unserer Zeit 31 (2001) 182-192 7
