Aufgabe 5

Aufgabe 5 (Supersekundärstruktur)
Fragestellung
Bei der Untereinheit des Arthropodenhämocyanins aus Limulus polyphemus werden
folgende Fragestellungen untersucht:
- Welche Supersekundärstrukturen gibt es in diesem Hämocyanin?
- Was ist eine Domäne? Können Sie Domänen im Hämocyaninmolekül finden?
- Wodurch wird die Tertiärstruktur stabilisiert?
Weitere Fragen, die sich während der Bearbeitung ergaben:
ÆWie sieht das aktive Zentrum aus? Wie werden die Kupferatome stabilisiert?
ÆWelche Wechselwirkungen stabilisieren die Supersekundärstrukturen?
Ergebnisse
„Four α-Helix bundle“ (AS 1-180)
Abb.5.1: „Four α-Helix bundle“ in Ribbon-Darstellung
Hydrophobe AS in rot, polare in Blau.
Die hydrophoben AS zeigen ins Innere.
Abb.5.2: „Four α-Helix bundle“ in der Spacefill Darstellung
Hydrophobe AS in rot, polare in blau.
Auch hier erkennt man, dass die hydrophoben Bereiche im Innern liegen.
Abb.5.3: „Four α-Helix bundle“ mit Spacefill-Darstellung im slab modus
Hydrophobe AS in rot, polare in blau.
Die hydrophoben AS füllen das Innere.
Abb.5.4: Lokalisation des „Four α-Helix bundles“
„Four Helix bundle“ in blau, Rest der Untereinheit in rot, Cu-Atome in cyan.
Das „Four Helix bundle“ liegt im äußeren Bereich der Hämocyanin-UE.
Abb.5.5: „Four α-Helix bundle“ mit H-Brücken
„Four α-Helix bundle“ in blau, H-Brücken in rot.
es gibt nur H-Brücken zur Stabilisierung der einzelnen Helices,
keine zusätzlichen H-Brücken zwischen den 4 Helices.
„β-Barrel“ (AS 401-660)
Abb.5.6: „β-Barrel“ mit Spacefill-Darstellung (links) und im Slab-Mode (rechts)
Hydrophobe AS in grün, polare in orange, backbone in schwarz.
Im Innern des β-Barrels sind vor allem hydrophobe AS.
Abb.4.7: Lokalisation des „β-Barrels“ innerhalb der Hämocyanin-UE
„β-Barrel“ in grün, Rest der Untereinheit in blau, Cu-Atome in rot.
Das „β-Barrel“ befindet sich am Rand der Untereinheit.
Abb.5.8: „β-Barrel“ in Ribbon-Darstellung mit H-Brücken
Faltblätter in grün, H-Brücken in rot.
Zwischen den Faltblättern gibt es sehr viele H-Brücken.
aktives Zentrum (AS 181-400)
Abb.5.9:Aktives Zentrum der Hämocyanin-UE
α-Helices in blau, Histidin-Seitenketten in rot, Cu-Atome in grün.
Das aktive Zentrum ist von mehren Helices umgeben.
Abb.5.10: Aktives Zentrum in Detail
Histidin-Reste in rot, Cu-Atome in grün.
Jedes Kupfer-Atom wird von 3 Histidin-Resten stabilisiert.
Abb.5.11: aktives Zentrum in Spacefill-Darstellung im Slab-Modus
polare AS in blau, hydrophobe in rot, Cu-Atome in grün (links), rechts zusätzlich geladene AS in gelb.
In unmittelbarer Nähe der Cu-Atome befinden sich vor allem polare AS, genauer: geladene AS.
Auswertung / Diskussion
In dieser Aufgabe sollte eine Hämocyanin-Untereinheit
Supersekundärstrukturen bzw. Domänen untersucht werden.
von
Limulus
auf
Polypeptidketten, die aus mehr als 200 Resten bestehen falten sich gewöhnlich in 2
oder mehrere globuläre Einheiten, die man als Domänen bezeichnet. Die Domänen
umfassen 100-200 Aminosäurereste und haben einen durchschnittlichen
Durchmesser von ungefähr 2,5nm. Eine Domäne ist also eine strukturell
unabhängige Einheit, welche Charakteristika kleiner globulärer Proteine aufweist. Die
Domänenstruktur muss aber nicht offensichtlich sein, die Domänen können nämlich
untereinander in so engem Kontakt stehen, dass das Protein als eine globuläre
Einheit erscheint.
Bei der Untersuchung der Hämocyanin-Untereinheit wurden 3 solcher Domänen
entdeckt: ein „Four α-Helix bundle“, ein „β-Barrel“ und die Domäne um das aktiven
Zentrums.
„Four α-Helix bundle” (Domäne 1)
Das „Four α-Helix bundle“ besteht, wie der Name schon vermuten lässt, aus vier
Helices. Wie man in den Abb.5.1-5.3 deutlich sieht, ragen die hydrophoben Reste
der vier Helices hauptsächlich zur Mitte des bundles während die polaren
Aminosäurereste nach außen zeigen. Diese Struktur wird also durch hydrophobe
WW sehr stark zusammengehalten und nicht – wie zunächst vermutet – durch HBrücken: Innerhalb des „Four α-Helix bundles“ treten nur die zur Stabilisierung der
einzelnen Helices notwendigen H-Brücken auf. Zwischen den einzelnen Helices
konnten keine zusätzlichen H-Brücken detektiert werden (vlg.Abb.5.5).Die Struktur
des „Four α-Helix bundles“ kann als „Anker“ im Protein dienen an der weitere
Strukturen befestigt sein können.
Bei genauerer Betrachtung der Spacefill-Darstellung aus Abb.5.2+5.3 fällt auf, dass
die hydrophoben Aminosäure nicht nur in der Mitte der Domäne sondern auch im
äußeren Bereich zu finden sind. Dies liegt daran, dass das „Four α-Helix bundle“ kein
separater Bereich ist, sondern mit dem restlichen Protein interagiert. Andere
Regionen des äußeren Bereichs sind hingegen völlig polar. Hier liegt die Vermutung
nahe, dass dieser Bereich die Außenseite der Proteinuntereinheit darstellt und an
das wässrige Medium angrenzt, denn das Four Helix bundle liegt im äußeren Bereich
der Hämocyanin-Untereinheit (vgl.Abb.5.4).
Aktives Zentrum (Domäne 2)
Das aktive Zentrum ist ebenfalls aus α-Helices aufgebaut. Die Helices umschließen
die beiden Kupferatome, die durch je 3 Histidin-Seitenketten stabilisiert werden
(Abb. 5.9 + 5.10). Die Aminosäuren in unmittelbarer Nachbarschaft zu den
Kupferatomen sind polar bzw. geladen (vlg. Abb.5.11) Im äußeren Bereichs des
aktiven Zentrums befinden sich jedoch vorwiegend hydrophobe AS (Abb. 5.11.). Die
Helices stabilisieren sich also untereinander durch hydrophobe WW. Außerdem wirkt
das Four Helix bundle, das an das aktive Zentrum angrenzt, zusätzlich stabilisierend.
„β-Barrel“ (Domäne 3)
Das „β-Barrel“ ist ebenfalls eine Domäne in diesem Protein da es -einzeln betrachtetannährend globuläre Struktur aufweist. Es ist nämlich nicht, wie der Name vermuten
lässt
hohl, sondern ausgefüllt (vgl. Abb. 5.6). Stabilisiert wird die Struktur
hauptsächlich durch H-Brücken zwischen den β-strands, die fünf der sechs βstrands miteinander verbinden (Abb.5.8). Weiterhin spielen bei der Stabilisierung
dieser Domäne auch die hydrophoben WW eine große Rolle: Wie in Abb. 5.6 zu
sehen ist, befinden sich im Innern des β-Barrels vor allem hydrophobe Aminosäuren
während man im äußeren Bereich polare Aminosäuren findet. Dies ist durchaus
sinnvoll, da das β-Barrel im äußeren Bereich der Protein-Untereinheit lokalisiert ist
und somit an das äußere wässrige Medium angrenzt.
Allgemein lässt sich sagen, dass an der Ausbildung der Tertiärstruktur neben
ionischen und hydrophoben WW auch Disulfidbrücken beteiligt sind. Solche
Disulfidbrücken bilden sich zwischen den Seitenketten von Cysteinen aus. In dem
hier untersuchten Protein findet man z.B. Disulfidbrücken zwischen dem
Cys 536
und Cys 583 sowie zwischen Cys 534 und Cys 576. Diese Cysteine liegen alle
innerhalb des β-Barrels.