Eiweiss (Protein) - biofizika.aok.pte.hu

Struktur von Eiweißen,
Proteinfaltung
Dr. Szilvia Barkó
13.11.15
Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare Kette von Aminosäuren verbunden mit
Peptidbindungen
Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare Kette von Aminosäuren verbunden mit
Peptidbindungen
Hydrolyse
Kondensation
Peptidbindung
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)
Die allgemeine Strukturformel
der Aminosäuren.
http://www.u-helmich.de/bio/cytologie/02/021/Proteine/Proteine03-06.html
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
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.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/proteine/9423
Primärstruktur der Proteine: die Aminosäuresequenz
http://www.idn.uni-bremen.de/projects/bingo/12_1/proteine.html
Sekundärsturktur der Proteine: sind Wasserstoffbrückenbindungen (HBrücken) 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
Beta-Faltblatt
• Die Peptidebene liegen in Zickzack
nebeneinander.
• Die Wasserstoffbrücken befinden sich
senkrecht zu der Längsachse.
Acetyltransferase
Der 310 helikale Bestandteil
• 3 Aminosäure (10 Atome)
pro Drehung
• Länger und schmaler als
eine Alpha-Helix
• Energetisch ungünstiger als
eine Alpha-Helix
• Kommt seltener vor,
befindet sich eher am Ende
der Helix
Die π - Helix
• 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
Die Polyprolin-Helix
proline
• 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
- rechtsgängige Helix
PPII: - Trans-Proline
- linksgängige Helix
Zusammengefasst
Tertiärsturktur der Proteine: die vollständige dreidimensionale
Struktur der Kette.
Einige typische Tertiärstrukturen:
http://www.biokurs.de/skripten/bs11-10.htm
Quartärsturktur der Proteine: die spezifische räumliche
Zuordnung der verschiedenen Polypeptidketten zueinander in
Proteinen mit mehreren Untereinheiten
Die Tertiärstruktur ist das Ergebnis
verschiedener intramolekularer Bindungen:
Disulfid-Brücken und Ionenbindungen.
http://www.u-helmich.de/bio/cytologie/02/021/Proteine/Proteine29-34.html
Hämoglobin besteht beispielsweise aus 4
Polypeptidketten, nämlich 2 alpha- und 2 betaUntereinheiten.
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/proteine/proteinaufbau.vlu/Page/vsc/de/ch/8/bc/proteine/aminos_u_einleit/
struktur1.vscml.html
Die Proteinfaltung
Zentrales Dogma der Molekularbiologie:
Warum und wie „faltet“ sich eine Polypeptidkette?
Wie kann das passieren?
Wie falten sich Proteine?
Ribonuclease
124 AS
1 Kette
4 Disulfidbrücken
1. Schritt: Denaturierung eines gefalteten
Proteins mit Harnstoff und β-Mercaptoethanol
Native Ribonuclease
Denaturierte und reduzierte Ribonuclease
Keine Aktivität
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.
Die Frage: Wie kann das Protein seine native,
biologisch aktive Konformation ausbilden?
Steht die Proteinfaltung unter thermodynamischer oder
kinetischer Kontrolle?
Das Levinthal-Paradox (1968)
• Wenn jeder Aminosäurerest nur 2 Zustände annehmen könnte, gäbe es bei
einer Proteinlänge von n Aminosäuren 2nmögliche Faltungsvarianten
• Ein Protein mit 100 Aminosäuren hat 2100 verschiedene Konformationen
• Würde eine Änderung der Konformation etwa 1ps benötigen, so bräuchte
dieses Protein 10 10 Jahre um die optimale Konformation zu finden
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.
Die Faltungstrichter
Freie Enthalpie
Alle Punkte der Fläche entsprechen einer
Konformation des Eiweisses.
Die einzelnen Moleküle suchen den am
tiefsten liegenden Punkt. Die Moleküle
können verschiedene Strecken
bewandern, während sie von der
thermischen Bewegung bewegt werden.
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.
Die Faltungstrichter
Die native Struktur steht unter thermodynamischer Kontrolle (das globale Minimum der
freien Enthalpie)
Aber! Das Protein erreicht diese Struktur durch intermediäre Konformationen die sich unter
kinetischer Kontrolle bilden .
„Fehlfaltung“ von Proteinen kann pathologische Entwicklungen
verursachen
https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinfehlfaltungserkrankung
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).
Biologie in unserer Zeit 31 (2001) 182-192
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!