Kapitel 3: Struktur und Funktion der Proteine
Werbung
Kapitel 3: Struktur und Funktion der Proteine Zentrale Eigenschaften: 1. Proteine sind lineare Polymere, welche aus monomeren und begrenzten Untereinheiten (Aminosäuren) zusammengesetzt sind. Die Funktion der Proteine wird durch die dreidimensionale Struktur festgelegt, welche durch die lineare Aminosäurenabfolge festlegt ist. 2. Proteine enthalten eine grosse Vielfalt an funktionellen Gruppen. (Bsp. Alkohole, Thiole, Thioether,Carbonsäuren,Carboxamide,alkalische Gruppen) .verschiedene Abfolge der AS = andere Proteinfunktion (bestimmt z.B. Aktivität von Enzymen) 3. Proteine können miteinander und mit anderen biologischen Molekülen interagieren und komplexe Zusammenschlüsse bilden synergetisch (Eigenschaften entstehen, die die einzelnen Proteinkomponenten nicht aufweisen) 4. Einige Proteine sind relativ starr (im Cytoskelett, Bindegewebe), während andere über eine begrenzte Flexibilität verfügen (wirken wie Gelenke, Federn oder Hebel; entscheidend wirkend für Funktion, Zusammenschluss untereinander, Infoübermittlung innerhalb und zwischen der Zelle(n) ) 3.1 PROTEINE SIND AUS EINEM REPETOIRE VON 20 AMINOSÄUREN AUFGEBAUT α- Aminosäuren bestehen aus einem zentralen C-Atom (α- Kohlenstoff), das mit einer Aminogruppe , einer Carboxylgruppe und einem Wasserstoff und einem charakteristischen „Rest“ R gebunden ist (R=Seitenkette) 4 verschiedene Gruppen tetraedrisch gebaute Aminosäuren sind chiral (die beiden spiegelbildliche gebauten Formen nennt man D- und L-Isomere, wobei nur die LAminosäuren in Proteinen vorkommen! Bei fast allen Aminosäuren ist das L-Isomer in der S-Konfiguration vorhanden ( Warum? Keine Ahnung aber wahrscheinlich ein Zufall der Natur in der Evolution) In Lösung mit neutralem pH-Wert liegen Aminosäuren vorwiegend als dipolare Ionen (=Zwitterionen) vor; Aminogruppe ist protoniert (-NH3) und die Carboxylgruppe ist dissoziiert (-COO ). Dissoziationsgrad der Aminosäure ist abhängig vom pH-Wert: - In saurer Lösung (pH1) ist die Aminogruppe protoniert, jedoch ist die Carboxylgruppe nicht dissoziiert (COOH). Bei pH-Erhöhung gibt COOH als erstes ein Proton ab (pKs =pKa ist 2) Dieser Dipolzustand bleibt erhalten bis sich der pH –Wert 9 nähert und ab dann gibt auch die protonierte Aminogruppe ein Proton ab (Säure-Base-Konzepte) Es gibt 20 Aminosäuren (AS) die sich in Grösse, Gestalt, Ladung und Fähigkeit zur HBrückenausbildung , hydrophober Charakter und chemischer Reaktivität unterscheiden. Glyzin (Gly): Der einfachste Vertreter; Seitenkette ist ein H und am alpha-C hat es 2 weitere H’s Achirale Ausnahme unter den AS! Alanin (Ala): mit Methylgruppe als Seitenkette (-CH3) Valin, Leucin und Isoleucin haben grössere C-H-Seitenketten; die längeren aliphatischen Seitenketten sind hydrophob (sie finden eher zueinander als mit Wasser in Kontakt zu treten) hydrophober Effekt: macht die 3D-Struktur der wasserlöslichen Proteine stabiler. Valin (Val): Leucin (Leu): Die Seitenkette weist ein zusätzliches Chiralitätszentrum auf (nur L-Isomer ist in Proteinen zu finden) Isoleucin (Ile): Wegen der unterschiedlichen Grössen und Formen der C-O- Seitenketten und diesem Effekt, kann eine kompakte 3-D Struktur mit wenigen Zwischenräume entstehen. Methionin (Met): hat eine weitgehend aliphatische Seitenkette mit einer Thioether- Gruppe (-S-) Prolin (Pro): hat aliphatische Seitenkette die mit dem α –C und mit dem Stickstoffatom (-N) verbunden ist. es beeinflusst wegen seiner Ringstruktur (in seiner Konformation stärker eingeschränkt als andere AS) die Proteinarchidektur stark. 3 AS mit rel. Einfachen aromatischen Seitenketten : Phenylanalin (Phe): hat einen Phenylring anstelle eines H im Alaninleicht hydrophob Tyrosin (Tyr): hat eine Hydroxylgruppe die relativ reaktionsfreudig ist (im Gegensatz zu den eher inaktiven Seitenketten der vorigen AS); π-Elektronen sind delokalisiert; Absorbationsmax. 276nm, Extinktionskoeff. 1400 weniger hydrophob wegen Hydroxylgruppe Tryptophan (Trp): es hat einen Indolrig (aufgebaut aus zwei Ringen und einer NH-Gruppe) , der über eine Methylgruppe (-CH2-) verbunden ist; π-Elektronen sind delokalisiert; Absorbationsmaximum 280nm, Extinktionskoeff. 3400 ebenfalls weniger hydrophob wegen der NH-Gruppen Tyrosin und Tryptophan absorbieren wegen ihrer delokalisierten π-Elektronen stark ultraviolettes Licht. AS mit aliphatischen Hydroxylgruppen : Serinin (Ser): ist die hydoxylierte Version von Alanin Theronin (Thr): entspricht einem Valin, dem eine Methylgruppe durch eine Hydroxylgruppe ersetzt wurde; enthält zusätzliches Asymmetriezentrum und nur eines der Isomere ist in Proteinen zu finden ( vgl. Isoleucin!) Die Hydroxylgruppe macht diese zwei viel hydrophiler und reaktiver als Alanin und Valin! Cystein (Cys): Struktur ähnlich wie bei Serin, hat jedoch eine Sulfhydryl- oder Thiolgruppe (-SH-) anstatt einer Hydroxylgruppe (die Sulfhydrilgruppe ist viel reaktiver!) Jede dieser Sulfhydryl- oder Thiolgruppen können sich zu einer Disulfidbrücke vereinigen (-S-S-) was eine wichtige Rolle in der Stabilisierung von der 3DProteinstruktur spielt. AS mit sehr polaren Seitenketten und dementsprechend mit hydrophilen Eigenschaften: Lysin (Lys): bei neutralem pH- Wert positiv geladene primäre Aminogruppe (= Endgruppe) alsAbschluss der langen Seitenkette Arginin (Arg): eine positiv geladene Guanidinumgruppe schliesst die lange Seitenkette ab Histidin (His): enthält Imidazolgruppe (arom. Ring), der ebenfalls positiv geladen sein kann. wegen dem pKs-Wert von fast 6 der Imidazolgruppe kann sie um neutralen pH Wert rum (pH7) je nach lokaler Umgebung neutral oder geladen vorliegen. meist im aktiven Bereich eines Proteins, wo der Imidazolring je nach Bedarf Protonen binden oder freisetzen kann AS mit sauren Seitenketten: Asparaginsäure (Asp): ist bei physiologischen pH-Wert negativ geladen. Seitenketten akzeptieren jedoch bei manchen Proteinen Protonen hat häufig funktionelle Bedeutung (wird auch Aspartat genannt um negative Ladung hinzudeuten) Asparagin (Asn): ungeladenes Derivat (endständige Carboxylgruppe durch ein Carboxamid ersetzt) Glutaminsäure (Glu): ist bei physiologischen pH-Wert negativ geladen. Seitenketten akzeptieren jedoch bei manchen Proteinen Protonen hat häufig funktionelle Bedeutung (wird auch Glutamat genannt um auf negative Ladung hinzudeuten) Glutamin (Gln): ungeladenes Derivat (endständige Carboxylgruppe durch ein Carboxamid ersetzt) Tyrosin (pKs: 10.9), Cystein (pKs: 8.3), Arginin (pKs: 12.5), Lysin (pKs: 10.8), Histidin (pKs: 6.0), Arparagin (pKs: 4.1) und Glutamin (pKs: 4.1) haben Seitenketten die leicht ionisiert werden können (können Protonen aufnehmen oder abgeben), sowie auch die endständige α- Aminogruppe (pKs:8.0) und die endständige α -Carboxylgruppen (pKs: 3.1) . Extensionskoeffizient einer Verbindung ist ein Mass für die Fähigkeit , Licht zu absorbieren Lambert-Beer’sches Gesetz beschreibt die Extinktion von Licht einer bestimmten Wellenlänge als E= ε * c * d E= Summe aus Absorbtion und Streuung ε= Extinktionskoeffizienten (seine Einheit ist der Kehrwert der Moralität der Lösung und der Entfernung in 1/M 1/cm ) c= Konzentration des absorbierenden Stoffes in der Lösung (M, Einheit der Moralität) d= Entfernung die das Licht zurücklegen muss (cm) Wenn man den Extensionskoeffizienten kennt, lässt sich die Proteinkonzentration einer Lösung abschätzen. 3.2 Primärstruktur: Peptidbindungen verknüpfen die Aminosäuren zu Polypeptidketten Als Primärstruktur bezeichnet man die Sequenz der Aminosäuren Proteine sind lineare Polymere die durch eine Peptidbindung (eine α -Carboxylgruppe mit einer α- Aminogruppe ) zwischen zwei Aminosäuren, unter Freisetzung eines H2O-Moleküls, verknüpft ist. Peptidbindung wird auch Amidbindung genannt. Da das Gleichgewicht dieser Reaktion auf der Eduktseite liegt, benötigt die Biosynthese von Peptidbindungen (kinetisch stabil!) Energie. Mehrere durch Peptidbindungen verknüpfte AS bilden eine unverzweigte, polare Polypeptidkette; ein Ende mit einer α-Aminogruppe ( Anfang der Kette! Aminoterminal= N-terminaler Rest) und das andere Ende mit einer α.Carboxylgruppe (C-terminaler Rest). Ihre ASeinheiten werden als Reste bezeichnet. Man schreibt die Sequenz der Aminosäuren in einem Polypeptid so dass der aminoendständige Rest am Anfang steht! Regelmässig sich wiederholende Einheiten bilden die Hauptkette/Rückgrat und die Seitenketten bilden den variablen Anteil. Das Polypeptid hat hohes Potential H-Brücken zu machen. Seitenketten (=Rest) haben alle eine Carbonylgruppe als H-Akzeptor und eine NH-Gruppe (Ausnahme: Prolin) als guten HDonor. Sie können untereinander als auch mit den funktionellen Gruppen interagieren und stabilisieren damit spezielle Strukturen. Polypeptidketten mit 50 bis 200 AS werden als Proteine bezeichnet. Peptide mit geringer Zahl von AS nennt man Oligopeptide oder nur Peptide. Jede AS hat etwa ein Molekulargewicht von 110 Protein ca. 5500 bis 220000. Die Masse wird in Dalton (d) angegeben. Ein Dalton ~ einer Atommasseneinheit (Molekulargewicht 5500~5500 Dalton).Disulfid-Brücken sind die häufigsten Querbrücken bei linearen Peptidketten. Sie entstehen durch Oxidation von zwei Cysteinresten Cystin entsteht durch diese Verbindung . Extrazelluläre Proteine haben mehrere Disulfidbrücken (S-S), intrazelluläre Proteine besitzen in der Regel keine S-S-Bindungen. 3.2.1. Proteine besitzen spezifische Aminosäuresequenzen, die durch Gene festgelegt werden Die Nucleotiden-Sequenz in der DNA, spezifiziert eine Nucleotiden-Sequenz in der RNA die widerum die AS-Sequenz im Protein bestimmt Jede der 20 AS werden durch eine oder mehrere spezifische Sequenzen aus drei Nucleotiden codiert. AS-Sequenzen sollte man kennen: - um Wirkungsmechanismen aufklären zu können - um Proteine mit neuartigen Eigenschaften durch Variieren von bekannten Proteinsequenzen zu entwickeln - weil sie die 3D-Struktur der Proteine festlegt Bindeglied zwischen der gen. Botschaft der DNA und der 3D-Struktur, die die biol. Funktion des Protein gewährleistet. - Teil der Molekularpathologie (untersucht welche Anomalien und Krankheiten bei ASAustausch entstehen Sichelzellanämie oder Cystische Fibrose) - um ihre Evolutionsgeschichte zu erkennen (AS haben nur dann ähnliche Sequenzen wenn sie einen gemeinsamen Vorläufer haben) 3.2.2 Polypeptidketten sind flexibel, aber dennoch in ihren Konformationsmöglichkeiten eingeschränkt Peptidbindungen sind im Prinzip planar: Ein über eine Peptidbindung verbundenes AS-paar hat sechs Atome, die in der selben Ebene liegen (α-C und die CO-Gruppe der ersten AS und das α-C und die NH-Gruppe der zweiten AS). Peptide (AS-Ketten) haben einen ausgeprägten Doppelbindungscharakter, der die Rotation um diese Bindung verhindert Konformationsmöglichkeit eingeschränkt und für Planarität der Bindung verantwortlich. Die C-N-Distanz (0,132nm) in einer Peptidkette liegt zwischen dem Wert einer Einfachbindung (0,149nm) und einer Doppelbindung (0,127). Die Peptidbindungen sind ungeladen und ermöglicht den so verknüpften AS-polymeren, sich zu dicht gepackten globulären Strukturen zusammenzulagern. Zwei Konfigurationen: - Trans: α-C-Atome auf entgegengesetzten Seiten der Peptidbindung - Cis : beide α-C-Atome liegen auf der selben Seite fast alle Peptidbindungen sind TRANS! Bei cis-Verknüpfungen würden durch sterische Kollisionen zwischen den Gruppen am α-C-Atom gestört werden (instabiler als trans!) Eine häufige der wenigen cis -Peptidbindungen sind X-Pro-Verbindungen (X= beliebiger Rest). Diese haben geringe trans- Präferenz, weil das Stickstoffatom im Prolin an zwei tetraedrische C-Atome gebunden ist, dadurch wird der sterische Unterschied zwischen cis und trans minimal. Die Bindung zwischen der Aminogruppe / Carboxylgruppe und dem α-C-Atom sind reine Einfachbindungen, um die die benachbarten starren Peptidbindungen rotieren und unterschiedliche Orientierungen annehmen können. Diese Rotationsfreiheit der zwei Bindungen bei jeder AS ermöglicht es dem Protein, sich auf verschiedenste Weise zu falten. Die Rotation um diese Bindungen werden durch Diederwinkel beschrieben: Rotationswinkel um die Bindung zwischen Stickstoffatom und dem α-C-Atom wird mit phi (φ) bezeichnet. Rotation um die Bindung zwischen Carbonylkohlenstoffatome und dem α-C-Atom wird mit psi (ψ) bezeichnet. die phi (φ) und psi (ψ) Winkel legen den Verlauf der Polypeptidkette fest. Eine Rotation im Uhrzeigersinn um eine der Bindungen von der aminoterminal liegenden (linken) Gruppe aus betrachtet entspricht positiven Werten. ¾ aller möglichen φ – ψ-Kombinationen treten auf Grund lokaler sterischer Hindernisse nicht auf Zwei Atome können unmöglich zur selben Zeit denselben Raum einnehmen (sterischer Ausschluss -> sehr einflussreich aufs Organisationsprinzip!) Hochflexible Polymere mit einer grossen Zahl an möglichen Konformationen werden sich nicht spontan zu ganz bestimmten Strukturen falten da die Entropie hoch ist und durch Wechselwirkungen überwunden werden müssen. die Starrheit der Peptideinheiten und der eingeschränkte Satz an möglichen φ und ψ-Winkeln innerhalb der ungefalteten Form schränkt die Zahl der möglichen Strukturen genug ein um Proteinfaltung zu ermöglichen. 3.3 Sekundärstruktur: Polypeptidketten können sich zu regelmässigen Strukturen wie α-Helix, β-Faltblatt, Kehren und Schleifen falten Diese Struktur nimmt Bezug auf die räumliche Anordnung von Aminosäureresten, die linearen Sequenzen nahe beieinander liegen (wenn regelmässig und periodisch β-Faltblatt .) 3.3.1 Die α- Helix ist eine gewundene Struktur, die durch H-Brücken innerhalb der Kette stabilisiert wird α- Helix: Das eng aufgewickelte Rückgrat bildet der innere Teil des Stabs, während die Seitenketten in schraubenartiger Anordnung nach aussen weisen. Zur Stabilität bildet die CO-Gruppe jeder AS eine H-Brücke zur NH-Gruppe jener AS, die in der linearen Sequenz vier Reste weiter liegt (sie liegen wegen Drehung in der Nähe voneinander). Alle CO- und NH-Gruppen der Hauptkette sind an H-Brücken beteiligt. Jeder Rest ist um 0,15 nm entlang der Helixachse verschoben und um 100° verdreht eine volle Umdrehung der Helix entspricht 3,6 Aminosäureresten. Die Ganghöhe der α-Helix entsteht durch die Schiebung (0,15nm) und er Anzahl Reste pro Windung (3,6) und beträgt 0,54nm. Der Drehsinn der Helix kann rechts (Uhrzeigersinn) oder links (Gegenuhrzeigersinn) sein. Die rechtsgängigen sind energetisch günstiger, da weniger sterische Kollisionen zwischen den Seitenketten und dem Rückgrat vorkommen in Proteinen sind rechtsgängige α-Helixe zu finden! Der α-Helix-Anteil bei Proteinen ist unterschiedlich; von beinahe Null- bis 100 % ist alles möglich (z.B. Ferritin ~75%). Die Länge der einzelnen α-Helices ist meist unter 4.5 nm. Wenn sich 2 oder mehrere α-Helices zu einer stabilen Struktur verdrillen, entsteht eine superspiralisierte α-Helixe (coiled coils) mit einer Länge von 100nm und mehr (Vorkommen in Myosin und Tropomyosin im Muskel und im Fibrin-> Blutgerinnung, Keratin -> Haaren). Cytoskelette (inneres Gerüst) der Zelle ist reich an Intermediärfilamenten, die auch aus zweisträngigen spuperspiralisierten α-Helixen besteht (die Membrandurchspannenden Proteine ebenfalls). 3.3.2 Die β-Faltblattstruktur wird von H-Brücken zwischen den Strängen stabilisiert die Polypeptidketten, β-Stränge, innerhalb eines β-Faltblatts liegen fast völlig ausgestreckt vor ein breites Spektrum an flächigen Strukturen ist nun sterisch möglich! Der Abstand zwischen den AS ist auch grösser 0,35nm (α-Helix 0,15nm) und die Seitenketten von benachbarten AS zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Ein β-Faltblatt entsteht durch Verknüpfung von 2 oder mehreren β-Strängen über H-Brücken. Benachbarte Stränge in einem β-Faltblatt können gleiche Richtung aufweisen (paralleles β-Faltblatt) das Muster an H-Brücken ist komplizierter: in jeder AS ist die NH-Gruppe mit der CO-Gruppe auf dem benachbarten Strang über eine H-Brücke verknüpft. Die Co-Gruppe bindet mit einer NH-Gruppe, die auf dem Strang zwei Reste weiter weg liegt. Benachbarte Stränge im einem β-Faltblatt können entgegengesetzt verlaufen (antiparlleles β-Faltblatt): Die NH- und CO-Gruppe der Aminosäuren in einem Strang sind jeweils über H-Brücken mit der CO- und der NH-Gruppe des benachbarten Strangs verbunden 4-5 Stränge werden normalerweise im β-Faltblatt verbunden, es können aber auch zehn und mehr sein. Die β-Faltblätter können rein antiparallel, rein parallel oder auch gemischt organisiert sein. β-Stränge werden schematisch in der Regel als breite Pfeile gezeichnet die in Richtung des carboxyterminalen Endes zeigen Typ des gebildeten β-Faltblatt besser erkennbar! β-Faltblätter bieten grössere Strukturvielfalt als α-Helixe und können relativ flach sein oder leicht in sich verdreht ( wichtig bei fettsäurebildenden Proteine, die für den Lipidmetabolismus von grosser Bedeutung!) 3.3.3 Polypeptidketten können ihre Richtung umkehren, indem sie Kehren und Schlaufen ausbilden Die Verteilung von α-Helixen, β-Strängen und Kehren entlang einer Proteinkette wird als Sekundärstruktur bezeichnet. Eine kompakte, globuläre Gestalt kann nur entstehen wenn es Richtungsänderungen im Verlauf der Polypeptidkette gibt, welche vom allgemeinen Strukturprinzip entstehen: - - (β-) Kehre oder Haarnadelkehre (reverse, bzw. β-turn oder hairpin bend): die CO-Gruppe eines Restes i ist innerhalb des Polypeptids über eine H-Brücke mit der NH-Gruppe des Rests i+3 verknüpft stabilisiert aprupte Richtungsänderungen innerhalb der Polypeptidkette Ω-Schleifen (Ω-loops): Sie verfügen nicht über regelmässig periodische Strukturen, sind aber in vielen Fällen starr und wohldefiniert Kehren und Schleifen liegen auf der Proteinoberfläche und sind häufig an Interaktionen zwischen Proteinen und anderen Moleküeln beteiligt. 3.4 Tertiärstruktur: Wasserlösliche Proteine falten sich zu kompakten Strukturen mit einem unpolaren Kern Tertiärstruktur: - räumliche Beziehung zwischen AS, die innerhalb der linearen Sequenz weit voneinander entfernt liegen - Muster der Disulfidbrücken Wie sind die AS im kompletten Protein angeordnet?(Räumliche Struktur dank röntgenkristallographischer Studien). Bsp: Myoglobin (Sauerstoffträger im Muskel). Es enthält aus einer Polypeptidkette mit 153 AS und kann dank der Anwesenheit von Häm (prosthetische Hilfs-Gruppe) Sauerstoff transportieren. Das Häm ist kein Polypeptid sondern besteht aus Protoporphyrin IX und einem zentralen Eisenion. 70% der Hauptkette sind zu 8 α-Helixen gefaltet und der Grossteil der übrigen Ketten bildet Kehren und Schlaufen zwischen den Helices.Die Faltung der Myoglobinhauptkette ist ohne Symmetrie. Die Gesamtanordnung eines Proteins wird als Tertiärstruktur bezeichnet. Das verbindende Prinzip ergibt sich aus der Verteilung der Seitenketten. Das Innere des Myoglogin besteht fast vollständig aus unpolaren Resten (Leucin Valin, Methionin & Phenylalanin), die einzigen polaren Gruppen sind zwei Histdine die bei der Bindung von Eisen und Sauerstoff wichtig sind. Der Aussenbereich besteht aus polaren sowie auch unpolaren Resten. Die Verteilung von unpolaren und polaren Resten ist entscheidend für Proteinstruktur! In wässriger Umgebung wird die Proteinfaltung von den hydrophoben Resten stark beeinflusst. Sie wollen dem Wasser entkommen und lagern sich im Innern zusammen damit keine grosse Fläche dem Wasser ausgesetzt wird, dadurch liegen nun die polaren, geladenen Reste an der Oberfläche thermodynamisch stabiler! Viele α-Helixe und β-Stränge sind amphiphatisch, das heisst sie besitzen einen hydrophoben Anteil, der ins Innere zeigt, und einen mehr polaren, der der Lösung zugewandt ist. Eine ungepaarte NH- oder CO-Gruppe der Peptidbindung bevorzugt Wasser und nicht das unpolare Milieu! Wenn man doch ein Stück der Hauptgruppe in unpolarem Milieu haben will, muss man alle NH- und CO-Gruppen über H-Brücken verbinden!( α-Helix oder β-Faltblatt) Die Van-der-Waals- WW bei dicht gepackten CO-Seitenketten stabilisieren Proteine ebenfalls. Membranumspannende Proteine bilden eine Ausnahme von der Regel: Porine (in der äusseren Membran vieler Bakterien) sind auf der Aussenseite hauptsächlich mit hydrophoben Resten ausgestattet, die mit benachbarten Alkanen reagieren. Das Porinzentrum enthält viele geladene und polare AS-Reste die einen wassergefüllten Kanal umgeben der mitten durch das Protein hindurchgeht. Porine liegen in umgestülpter Form vor da sie in hydrophober Umgebung funktionieren müssen! Polypeptidketten falten sich in zwei oder mehrere kompakte Bereiche, Domänen genannt und sind 30-400AS lang, die durch ein flexibles Polypeptidsegment miteinander verbunden sind.Häufig verfügen Proteine trotz unterschiedlicher Gesamtstruktur über die gleichen Domänen! 3.5 Quartärstruktur: Polypeptidketten können sich zu Komplexen aus vielen Untereinheiten zusammenfinden Quartärstruktur: beschreibt die räumliche Anordnung dieser Untereinheiten und deren Wechselwirkungen miteinander. Proteine mit mehr als nur eine Polypeptidkette jede Peptidkette wird als Untereinheit bezeichnet. Es können verschiedene Arten von Untereinheiten vorkommen und das in unterschiedlicher Anzahl ( Bsp: ein Dimer besteht aus zwei identischen Untereinheiten). Hämoglobin besteht aus 2 Untereinheiten α-Ketten und aus 2 Untereinheiten β-Ketten α2β2 –Tetramer. Viren verwenden in ihrer Hülle dieselbe Art von Untereinheiten wiederholt und fügen diese zu einem symmetrischen Muster zusammen (begrenzte genetische Information optimal genutzt!). Die Hülle des Rhinovirus enthält 60 Kopien von 4 verschiedenen Untereinheiten, welche als fast kugelförmiges Gebilde den viralen Genom umschliesst. 3.6: Die Aminosäuresequenz eines Proteins legt dessen 3D-Struktur fest Ribonuclease besteht aus einem einzigen Polypeptidstrang von 124 Aminosäureresten der über vier Disulfidbrücken quervernetzt ist. Wie kann man nachforschen unter welchen Bedingungen sich Proteine falten? Erst wird die 3D-Struktur durch Harnstoff oder Guanidiniumchlorid (beide trennen nichtkovalente Bindungen, niemand weiss warum) Proteine ohne kovelente Bindungen nehmen hier eine zufällige Knäuelformation an (random-coil). Disulfidbrücken werden durch β-Mercaptoethanol- Reduktion reversibel gespalten bei dessen Überschuss, entsteht ein Protein, bei dem alle Disulfide (Cystine) zu Sulfhydrylen (Cysteinen) umgewantelt sind! Ribonuclease in 8M Harnstoff mit β-Mercaptoethanol ergibt eine völlig reduzierte, zufällig geknäuelte Polypeptidkette ohne jede enzymatische Aktivität sie ist denaturiert. Wenn man nun die denaturierte Ribonuclease durch Dialyse von Harnstoff und β-Mercaptoethanol befreit, erhält sie allmählich ihre enzymatische Aktivität zurück. Grund: Der Luftsauerstoff oxidierte die Sulfhydrylgruppen des denaturierten Enzyms, wodurch es sich wieder spontan in die katalytisch aktive Form faltet Enzymaktivität, physikalische und chemische Aktivität werden fast ganz wiederhergestellt. Die Information für die 3D-Struktur der Ribonuclease ist in der Aminosäuresequenz verankert. Die Sequenz bestimmt die Konformation! Wenn man Ribonuclease in Anwesenheit von 8M Harnstoff reoxidiert und dann erst denn Harnstoff durch Dialyse entfernt, hat es nur 1% der ursprünglichen (nativen) Aktivität, da sich falsche Disulfidbindungen bilden (ein Random-coil wurde oxidiert) ein verworrenes (scrambled) Enzym entsteht, welches sich aber wieder in die native Form umlagert, sobald man β-Mercaptoethanol zu einer wässrigen Lösung des Proteins gibt es katalysiert die Umlagerung der Disulfidbrücken bis die native Struktur wider hergestellt ist. Die treibende Kraft ist die Abnahme der freien Enthalpie, die beim Übergang von der verworrenen in die stabile native Konformation des Enzyms auftritt. Im Zellinnern verhindern Chaperone (Proteine) das es nichts verworrenes gibt. 3.6.1 AS haben unterschiedliche Neigungen zur Ausbildung von α-Helices, β-Faltblatt-Strukturen und β-Kehren Welche ASsäurereste-Sequenz eines Proteins nimmt welche Konformation am liebsten an? Reste wie Glutamat, Alanin und Leucin sind gehäuft in α-Helices zu finden. Valin und Isoleucin sind gehäuft in β-Strängen zu finden. Glycin, Asparagin und Prolin treten tendenziell in den Kehren auf. Die α-Helix ist die „Standardkonformation“. Valin, Threosin und Isoleucin haben eine Verzweigung am β-C was zu einer Destabilisierung der α-Helix. Sie sind deshalb gut für β-Faltblätter geeignet, da ihre Seitenketten aus der Hauptkettenebene rausragen. Serin, Aspartat und Asparagin haben die Tendenz die α-Helix zu unterbrechen, da ihre Seitenketten einen Wasserstoffdonor (H-Donor) oder –akzeptor in der Nähe der Hauptkette aufweisen und dadurch kommt es zur Konkurrenz zwischen NH- und CO-Gruppen. Prolin stört wegen der fehlenden freien NH-Gruppe und dem, durch seine Ringstruktur auf -60 Grad beschränkten, φ-Winkel, die α-Helix sowie die β-Faltblätter. Glycin fügt sich in alle Strukturen ein. Es ist sehr schwer die Sekundärstruktur eines Proteins vorherzusagen nur auf Grund des Wissens der Konformationspräferenz der einzelnen ASresten da sie keine absoluten Festlegungen sind und der Präferenzunterschied zwischen den 3 verschiedenen Konformationen sehr klein ist. Zudem spielen die Wechselwirkungen zwischen weit voneinander entfernten Resten einer linearen Sequenz bei der Festlegung der Sekundärstruktur eine grosse Rolle Das Umfeld spielt eine wichtige Rolle bei der endgültigen Korformation. Zu Proteinerkrankungen wie Creutzfeld-Jacob-Krankheit, Kuru und BSE kommt es, wenn bestimmte Gehirnproteine (Prionproteine) aus ihrer normalen Konformation in eine andere umschlagen. Dies geschieht ohne weiteren Anstoss von alleine weiter, und lässt grosse Ansammlung der „anormalen“ Konformation entstehen. 3.6.2 Faltung von Proteinen ist ein hochkooperativer Vorgang Die Faltung und Entfaltung eines Proteins entspricht grösstenteils einem Alles –oder –Nichts-Prinzip, was im kooperativen Übergang begründet ist. Wenn wegen den Bedingungen einen Teil der Struktur des Proteins thermodynamisch instabil ist, wird dort die Faltung aufgehoben und die Interaktion zwischen ihm und dem restlichen Molekül geht verloren. die übrige Molekülstruktur wird dadurch destabilisiert! Die kooperative Faltung von Proteinen: man stellt sich den Inhalt einer Proteinlösung in der Phase mitten im Übergang vom gefalteten zum ungefalteten Zustand vor. In diesem Moment ist das Protein „zur Hälfte gefaltet“. Doch in der Lösung sind keine halbgefalteten Proteinmoleküle enthalten, sonder zur Hälfte komplett gefaltete und zur anderen Hälfte ungefaltete Moleküle. Strukturen, die teilweise intakt und teilweise aufgelöst sind, stellen einen thermodynamisch instabilen Zustand dar und existiert nur vorübergehend! Die kooperative Faltung stellt sicher, dass sich die teilweise gefalteten Strukturen nicht ansammeln können (und nicht innerhalb der Zelle wechselwirken können!) 3.6.3. Proteinfaltung verläuft über eine fortschreitende Stabilisierung von Zwischenkprodukten und nicht durch zufälliges Ausprobieren Die kooperative Faltung ist eine Frage der Thermodynamik! Die zufällige Faltung würde sehr lange dauern, was aber tatsächlich nur wenige Bruchteile einer Sekunde benötigt. Die enorme Differenz zwischen der berechneten und der tatsächlichen notwendigen Zeit für die Faltung wird als Levinthal’sches Paradoxom genannt. Das Grundprinzip der Proteinfaltung ist die kumulativen Selektion: die teilweise korrekten Zwischenprodukte werden bewahrt! Die Faltung wird erstens wesendlich beeinflusst von der freien Gesamthalpie der vorübergehend entstehenden Molekülspezies und zweitens sind Proteine nur bedingt stabil. Die Differenz der freien Enthalpie zwischen gefalteten und ungefalteten Zustand beträgt bei 100 ASreste durchschnittlich nur 42 kJ/mol und somit trägt jeder Rest nur etwa 0,42 kJ/mol zur Erhaltung der Gesamtenergie des gefalteten Zustands bei, welcher jedoch geringer ist als die thermische Energie bei 25°. schwache Stabilisierung ; korrekte Zwischenstrukturen können verloren gehen (vor allem früh im Faltungsprozess). Die zu kooperativer Faltung führenden Interaktionen können den Verlauf der Zwischenprodukteentstehung stabilisieren. Abschnitte mit deutlicher Strukturpräferenz, die aber für sich nicht stabil sind, können durch die bevorzugte Konformation und durch Ineraktion im Faltungverlauf eine Stabilitätserhöhung bewirken. 3.6.5 durch Modifikation und Spaltung erhalten Proteine neue Eigenschaften Kovalente Modifikation zum Beispiel durch Anhängen zusätzlicher Gruppen führen zu neue Funktionen. Bei einigen Proteinen wird das Aminoende druch eine Acetylgruppe ergänzt und damit der Abbau erschwert. An Prolinreste wird eine Hydroxylgruppe zurgefügt, was die Fasern des neu synthetisierten Kollagen (wichtiges Protein in Knochen und Bindegewebe) stabilisiert. Die Krankheit Skorbut entsteht durch Vitamin C-Mangel und deswegen zu einer Hydroxylierung von Kollagen. Kollagenfasern sind nun unfähig dem Gewebe seine gewohnte Stärke zu verleihen Bei Vitamin-K-Mangel führt eine unzureichende Carboxylierung des Glutamats in dem Blutgeringungsprotein Prothrombin zu Blutungen (Hämorrhagien). Proteine die auf der Zelloberfläche sind oder ausgeschüttet werden, benötigen an spezifischen Asparaginresten Kohlenhydrateinheiten. Proteine mit angehängten Zuckerresten sind hydrophiler und damit fähig sich mit an Wechselwirkungen mit anderen Proteinen zu beteiligen. Eine Fettsäuren an eine α-Aminogruppe oder eine Cysteinsulfhydrylgruppe lässt ein Protein hydrophober werden. Viele Hormone verändern die Aktivität von Enzymen, indem sie die Phosphorylierung der Hydroxyaminosäuren Serin und Threonin anregen Phosphoserin und Phosphothreonin sind die häufigsten modifizierten AS in Proteinen. Wachstumsfaktoren (Insulin) wirken durch Phosphorylierung der Hydroxylgruppe durch Tyrosin und damit durch Phosphotyrosin-Bildung. Die Phosphorylgruppe der modifizierten AS können rasch wieder entfernt werden sie können als Schalter bei der Reaktion in intrazellulären Prozessen dienen. Modifikationen durch: - Anfügen besonderer Gruppen an AS und Peprids - durch chemische Umstellung der Seitenketten und manchmal des Peptidrückgrats selbst. - flureszierende Proteine durch spontane Umlagerung und Oxidation der Sequenz Ser-Tyr-Gly im Zentrum des Proteins (wird als Marker im Zellinnern verwendet) - Proteine werden nach der Synthese noch gespalten und zurechtgeschnitten (Verdauungsenzyme werden als inaktive Vorstufen synthetisiert, die im Prankreas [Bauchspeicheldrüse] gespeichert werden erst nach Ausschüttung in den Dünndarm werden sie durch Spaltung einer Peptidbindungen aktiviert) - bei einigen Peptidhormonen entstehen durch Zerlegung eines einzigen grossen Vorläuferproteins. Auch viele Virusproteine besitzen ein grosses Polyprotein als Vorläufer
