Kapitel 3: Struktur und Funktion der Proteine

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 Alaninleicht 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