Nanotechnologie der Biomoleküle Aminosäuren und Proteine
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Nanotechnologie der Biomoleküle Aminosäuren und Proteine: Bausteine der Biologie und der Bionanotechnologie Aufbau Struktur Funktion Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Das Miller-Urey-Experiment (auch Urey-Miller-Experiment oder MillerExperiment) dient der Bestätigung der Hypothese, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre eine Entstehung organischer Moleküle, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, möglich ist. Stanley Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago eine hypothetische frühe Erdatmosphäre. Das Experiment beschrieb er in seiner Veröffentlichung: Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen einer einfachen Erde. Im Miller-Urey-Experiment mischt man einfache chemische Substanzen einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre – Wasser (H2O), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Wasserstoff (H2) – und setzt diese Mischung elektrischen Entladungen aus, welche die Energiezufuhr durch Gewitterblitze nachbilden sollen. Dabei entstehen nach einer gewissen Zeit organische Moleküle. Die Analyse des entstehenden Molekülgemisches wurde mittels Chromatographie durchgeführt. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Zunächst entstehen aus den Ausgangsstoffen Aldehyde (R-CHO) und Blausäure (Cyanwasserstoff HCN) als erste Zwischenprodukte. In einer darauf folgenden Mehrstufenreaktion reagieren die Aldehyde mit Ammoniak als Katalysator zu Aminosäuren: R-CHO + HCN + H2O → H2N-CHR-COOH So entsteht aus dem Aldehyd Methanal (H2C=O) die Aminosäure Glycin, aus Ethanal (CH3-CHO) entsteht Alanin. R-CHO + HCN + 2 H2O → HO-CHR-COOH + NH3 Aus Methanal entsteht die Glykolsäure (α-Hydroxy-ethansäure), aus Ethanal die Milchsäure (α-Hydroxy-propansäure) und aus Propanal (CH3-CH2-CHO) die α-Hydroxybuttersäure. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Proteine Proteine sind die eigentlichen "Arbeitstiere" der Zelle. Beispiele: Enzyme, Strukturproteine, Regulatoren der Genexpression Viele Proteine bestehen aus 20 Aminosäuren (= proteinogene AS) alle enthalten: 1 Aminogruppe 1 Carboxylgruppe Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Proteine Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Einheit und Gewichte von Proteinen - Standard Einheit eines Proteins: kDa (kilo Dalton) - 1 Wasserstoffatom entspricht 1 Da - 1 Kohlenstoffatom entspricht 12 Da - Durchschnittliches Gewicht einer Aminosäure 110 Da - ein Polypeptidschwanz besteht aus etwa 1000 Aminosäuren wiegt ungefähr 110000 Da (110 kDa) Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Primärstruktur: Aminosäuren Chemischer Aufbau von Aminosäuren: H H3+N Aminogruppe C α COOCarboxylgruppe R Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Aminosäuren R kann sehr unterschiedlich sein: hydrophob hydrophil groß klein sauer basisch aromatisch polar A, L, I, V, M, C, W, F, P D, E, K, R, H W, R G, A, S D, E K, R, H W, F, Y S, T, Y, N, Q Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Aminosäuren A C D E F G H I K L Alanin M Cystein Asparaginsäure Glutaminsäure Phenylalanin R Glycin S Histidin Isoleucin Lysin Leucin Y Methionin N Asparagin P Prolin Q Glutamin Arginin Serin T Threonin V Valin W Tryptophan Tyrosin Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Verknüpfung von Aminosäuren H2O N H O H H C N R H O H C C R C OH Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Verknüpfung von Aminosäuren H Cα C O N Cα • Die Peptidbindung liegt in einer Ebene, sie hat partiellen Doppelbindungscharakter. • Freie Drehbarkeit ist nur um die Cα-Atome möglich! Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Verknüpfung von Aminosäuren Kondensations Reaktion (kovalente Bindung) Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Peptid-Rückrad Polypeptidschwanz Überrest Ein kurzer Polypeptidschwanz wird kurz als Peptid bezeichnet Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Polypeptidschwänze besitzen eine Orientierung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Organische Strukturen Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Struktur von Proteinen • • • • Primärstruktur Sequenz (Abfolge) der Aminosäuren eines Proteins Sekundärstruktur Faltung einer Polypeptidkette Tertiärstruktur Faltung in komplexe, dreidimensionale Strukturen Quartärstruktur Organisation mehrerer Proteine in einem Komplex höherer Ordnung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Struktur von Proteinen Es gibt drei besonders wichtige Sekundärstrukturen: α-Helix: Das O-Atom der Carboxylgruppe in der Polypeptidkette geht eine H-Brückenbindung 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. • Loops and turns Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Linus Pauling & Robert Corey • Gründer der Forschung an biologischen Strukturen • Begin der Forschung an Proteinen nach 1930 • 1951 erste Voraussagen zur Existenz der α-Helix & β-Faltfäche Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstrukturen von Proteinen α-Helix: • Das Rückgrat der Helix beschreibt eine schraubenartige Windung. • Die Geometrie der Helix ist durch H-Brücken stark stabilisiert. • Die Seitenketten zeigen vom Zylinder nach außen. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur von Proteinen N α-Helix: N Cα C C Cα C N Cα Cα N N Cα N C "Rückgrat" Cα CN Cα C Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur von Proteinen N [1] Cα C N [3] N [4] Cα C C [7] Cα N N Cα N C Cα [2] "Rückgrat" einzelne AS [5] Cα CN Cα [6] C Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur von Proteinen N [1] C N Cα ON C C [3] N [4] Cα Cα C α [7] O O N C O N Cα [2] "Rückgrat" + CO [5] Cα CN Cα [6] C O Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur von Proteinen H [1] N Cα N C H [3] Cα [2] ON H C C α N O C H [4] Cα O N [5] C H C α O H CN N Cα [6] [7] C Cα O "Rückgrat" + CO + NH Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur von Proteinen H [1] N Cα N C H [3] Cα [2] ON H C C α N O C H [4] Cα O N [5] C H C α O H CN N Cα [6] O [7] C Cα O "Rückgrat" + CO + NH + H-Brücken Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur von Proteinen R H N [1] Cα N R C H [3] Cα [2] H R ON C Cα N O R C H [4] Cα O N [5] C R H Cα O H CN R N R C O α [7] [6] C Cα O "Rückgrat" + CO + NH + H-Brücken + Reste Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Warum bildet sich eine α-Helix? Pauling und Corey zeigten, dass die Struktur durch Wasserstoff-Bindungen stabilisiert werden Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Wasserstoff-Brückenbindungen Wasserstoff-Bindungen sind instabil im Vergleich zu kovalenten Bindungen H--------O ~1-3 kcal/mol H-O ~100 kcal/mol Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Wasserstoff-Brückenbindungen Jedes “Wasserstoff-Ende” einer Aminosäure bindet an ein Sauerstoffatom, welches vier Aminosäuren weit entfernt ist. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundästruktur: α-Helix 3.6 Aminosäuren/Umfang Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano ß-Faltblatt • im zick-zack verlaufende Kette • mind. 2 derartige Ketten liegen nebeneinander und zwischen ihnen verlaufen H-Brücken • die Reste ragen aus der dadurch gebildeten Ebene nach oben und unten Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano ß-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 Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano ß-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 Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano ß-Faltblatt O N C Cα N Cα N C N Cα C Cα O C O O C N C O O Cα "Rückgrat" + CO O N Cα C Cα C N N Cα O Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano ß-Faltblatt H O N C Cα C O Cα N N H Cα H O N C N Cα C Cα "Rückgrat" +CO, +NH C H O H O O H O H C N C N Cα C O Cα N Cα H Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano ß-Faltblatt H O N C Cα C O Cα N N H Cα H O N C Cα C N Cα "Rückgrat" +CO, +NH + H-Brücken C H O H O O H O H C N C N Cα C O Cα N Cα H Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur von Proteinen β-Faltblatt: NH N CO R R Cα Cα CO NH NH CO CO Cα Cα R R Seitenansicht Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur: ß-Faltblatt Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Sekundärstruktur: Loops & Turns • α-Helix und ß-Faltblatt sind lineare Strukturen • Was passiert wenn ein Polypeptid eine Krümmung benötigt: Loops and Turns! • Loops haben keine regulären Strukturen Grün Fluoreszierendes Protein (GFP) Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Tertiärstruktur Tertiärstruktur eines Proteins • Hydrophile Proteine finden sich in wässrigen Cytoplasmen • Hydrophobe Proteine sind in Zellmembranen eingebettet • Die Aussenseite eines Proteins ist hydrophob oder hydrophil • Die Kräfte, die tertiäre Strukturen zusammen halten günden sich auf: Wasserstoff-Bindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkung, Van der Waals Kräfte, hydrophobe Wechselwirkung und Disulfid-Bindung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Stabilisierung der Ternärstruktur von Proteinen Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Krankheiten durch fehlerhafte Proteinfaltung Prionen: - BSE - KURU - Creutzfeld-Jacob - Alzheimers - Parkinson Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Disulfid-Bindung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung Keratin im Haar Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung Keratin (Haar) Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Kanalproteine NH2 Membran COOH Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Kanalproteine Mehrere α-Helices können sich zusammenlagern: hydrophobe Außenseite (eingebettet in die Membran) hydrophiles Zentrum Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Tertiärstruktur Intaktes Molekül Schnitt durch Molekül = geladen = hydrophob Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Porin, Kanalprotein Porin, ein MembranProtein = geladen = hydrophob Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Porin: Nanoventil in Zellmembran für Wasser Alternierende Folge von polaren und unpolaren Aminosäuren Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Porin: Nanoventil in Zellmembran für Wasser Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Porin: Nanoventil in Zellmembran für Wasser Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Quartärstruktur • Einige Proteine haben mehrere Untereinheiten • Anzahl der Untereinheiten variiert • Untereinheiten können identisch oder verschieden sein Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Quartärstruktur • Hemoglobin: 64.5 kDa • Besteht aus 2 α and 2 β Untereinheiten Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Quartärstruktur Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Quartärstruktur Kristall aus Myoglobin Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Strukturaufklärung mit Hilfe von Röntgenbeugung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano Berechnung der Valenzelektronenverteilung Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/nano
