Biopolymere

MM
23.09.2013
Biopolymere
Michael Meyer
Vorlesung XV
Michael Meyer
Molecular Modelling
Simulation von Biomolekülen
• Modellierung von Proteinen
Identifizierung und/oder Verwandtschaft mit anderen Proteinen
Funktion eines Proteins oder Sequenzfragmentes
Modellierung der Struktur und Dynamik
Struktur von Protein-Ligand und Protein-Protein-Komplexen
Modellierung enzymatischer Reaktionsmechanismen
• Modellierung von Nukleinsäuren
Quantenchemische Simulationen von Basen
RNA Sekundärstrukturvorhersage und Faltung
Moleküdynamik-Simulationen von Nukleinsäuren
• Modellierung von Polysacchariden
Michael Meyer
Biopolymere
Molecular Modelling
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23.09.2013
Allgemeines
• Monomerbausteine
Aminosäuren -> Proteine
Nukleobasen -> DNA,RNA
Zucker
-> Polysaccharide
• Proteine
Kationen oder Cofaktoren mit katalytischer Funktion
• Nukleinsäuren
Kationen zum Ladungsausgleich
Jena Library of Biological Macromolecules: http://www.fli-leibniz.de/IMAGE.html
Michael Meyer
Molecular Modelling
Basen und Zucker als Bausteine von DNA und RNA
Pur i n- Basen
NH2
N
O
N
N
N
N
N
N
H
H
Adenin
NH2
N
Guanin
Pyr i mi di n- Basen
NH2
O
N
O
N
NH
NH
O
N
O
N
H
H
Thymin
O
H
Cytosin
Uracil
Zucker
OH
O
O
OH
OH
HO
HO
HO
OH
D-Ribose
Michael Meyer
Biopolymere
D-Deoxiribose
Molecular Modelling
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Nukleoside
O
NH2
N
N
N
N
N
Nukleoside der DNA
werden mit Deoxyribose
Gebildet (Abb. links),
Nukleoside der RNA mit
Ribose (Abb. unten).
NH
N
N
NH2
HO
HO
O
O
H
H
H
H
OH
H
H
H
OH
H
H
Adenosin
H
Guanosin
O
NH2
O
NH
N
NH
N
N
O
N
HO
O
HO
O
O
H
O
H
H
H
H
OH
OH
H
H
H
H
OH
O
HO
H
H
H
OH
Cytidin
H
Thymidin
Michael Meyer
H
Uridin
Molecular Modelling
Polynukleotidketten
NH2
5‘
N
-O
P
N
N
O
O
N
O
O-
H
H
OH
H
H
H
Die Verknüpfung zu Polynukleotiden
erfolgt über Phosphatgruppen in 3‘bzw. 5‘-Position
NH2
N
N
HO
N
N
O
H
H
H
3‘
H
O
O
P
H
O-
O-
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Biopolymere
Molecular Modelling
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Polynukleotidketten II
NH2
N
HO
H
G
C
N
O
H
P
N
H
O
O
3‘
P
3‘
P
H
H
O
H
P
5‘
N
O
N
O
H
H
O
P
NH
H
H
N
H
O
N
NH2
O
H
O-
5‘
O
O
O-
P
5‘
C
G
H
O
5‘
NH2
N
H
3‘
O
O
O-
3‘
T
NH
H
O
T
O
O
H
A
A
N
N
H
H
H
O
O
P
H
O-
O-
Michael Meyer
Molecular Modelling
DNA-Duplex und Watson-Crick Basenpaare
H
N H
N
H
H N
N
N
O
N
N
H
O
A
T
H
H
N
N H
O
N
N
H
H N
O
N
N
N
H
H
G
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Biopolymere
C
Molecular Modelling
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Genetischer Code
Base 1
(5‘)
Base 2
Base3
(3‘)
U
C
A
G
U
Phe
Phe
Leu
Leu
Ser
Ser
Ser
Ser
Tyr
Tyr
Stop
Stop
Cys
Cys
Stop
Trp
U
C
A
G
C
Leu
Leu
Leu
Leu
Pro
Pro
Pro
Pro
His
His
Gln
Gln
Arg
Arg
Arg
Arg
U
C
A
G
A
Ile
Ile
Ile
Met
Thr
Thr
Thr
Thr
Asn
Asn
Lys
Lys
Ser
Ser
Arg
Arg
U
C
A
G
G
Val
Val
Val
Val
Ala
Ala
Ala
Ala
Asp
Asp
Glu
Glu
Gly
Gly
Gly
Gly
U
C
A
G
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Molecular Modelling
Abkürzungen für natürliche Aminosäuren
Aminosäure
Alanin
Arginin
Asparagin
Asparaginsäure
Cystein
Glutamin
Glutaminsäure
Glycin
Histidin
Isoleucin
Leucin
Lysin
Methionin
Phenylalanin
Prolin
Serin
Threonin
Tryptophan
Tyrosin
Valin
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Biopolymere
Three-letter
One-letter
Ala
Arg
Asn
Asp
Cys
Gln
Glu
Gly
His
Ile
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp
Tyr
Val
A
R
N
D
C
Q
E
G
H
I
L
K
M
F
P
S
T
W
Y
V
Molecular Modelling
5
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Natürliche Aminosäuren
O
O
OH
NH2
NH2
Glycin
Alanin
O
OH
Valin
HS
O
O
O
Methionin
OH
OH
O
H2N
Glutaminsäure
H2N
O
N
H
OH
NH2 NH2
NH2
O
NH
O
O
O
OH NH2
Asparaginsäure
OH
NH2
Cystein
O
HO
OH
Isoleucin
O
S
OH
NH2
NH2
Threonin
Serin
NH2
Leucin
O
O
OH
NH2
OH
NH2
NH2
OH
O
OH
OH
OH
HO
O
O
OH
NH2
NH2
Glutamin
Asparagin
Arginin
O
OH
NH2
OH
NH2
HO
Phenylalanin
Tyrosin
O
O
O
N
OH
NH2
N
H
Tryptophan
OH
OH
NH2
N
H
NH
Prolin
Histidin
Michael Meyer
Molecular Modelling
Eigenschaften von Aminosäuren
• Chiralität
COOH
H2N
H
R
• neutrales Molekül vs. Zwitterion
O
O
R
R
OH
O
NH 2
NH 3 +
• Peptidbindung
O
O
R
O
NH3+
+
R´
O
R´
R
O
NH3+
O
N
NH3+ H
+
H2O
O
ermöglicht die Bildung von linearen Ketten
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Molecular Modelling
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Eigenschaften von Aminosäuren II
• Größe
wichtig für dichte Packung der Aminosäuren
• Ladung
Bildung von Salzbrücken / Ionenpaaren
• Donor/Akzeptoreigenschaften
Bildung von Wasserstoffbrücken mit anderen Aminosäuren
oder Wasser
• Hydrophobizität
Stabilisierung des Kerns von Proteinen
• Aromatizität
Stapelung (stacking)
Michael Meyer
Molecular Modelling
Hydrophobe aliphatische Aminosäuren
Alanin
Valin
O
H2N
CH
CH3
C
Leucin
O
OH
H2N
CH
C
CH
CH3
CH3
Isoleucin
O
OH
H2N
CH
C
O
OH
CH2
CH
CH3
CH3
H2N
CH
C
CH
CH3
OH
CH2
CH3
• Seitenketten aus unpolaren Methyl- oder Methylengruppen
• Häufigeres Auftreten im Inneren eines Proteins
• Erhöhter Raumbedarf der Seitenkette im Vergleich zu Glycin und
Gabelung von Valin und Isoleucin nahe am Proteinrückgrat:
Einschränkung der Konformationsvielfalt durch sterische
Hinderung
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Biopolymere
Molecular Modelling
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Hydrophobe aromatische Aminosäuren
Phenylalanin
Tyrosin
H2N
CH
C
Tryptophan
O
O
OH
H2N
CH
C
O
OH
H2N
CH
CH2
CH2
C
OH
CH2
HN
OH
• Phe ist als einzige aromatische Aminosäure „vollständig“ unpolar
• hydrophobe Aminosäuren sind häufig im Proteinkern vergraben
• polare Atome erlauben auch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken innerhalb des Proteins oder mit Wasser
Michael Meyer
Molecular Modelling
Neutrale polare Aminosäuren
O
H2N
CH
C
CH2
OH
H2N
CH
C
CH
OH
Serin
C
S
CH
OH
H2N
CH
C
OH
Cystein
SH
O
C
OH
H2N
CH
C
OH
CH2
CH2
Methionin
C
CH2
O
CH2
CH2
H2N
CH3
O
CH
OH
Threonin
OH
H2N
O
O
O
Asparigin
CH2
C
NH2
Glutamin
O
NH2
CH3
• Ser und Thr können mit ihren Seitenketten als Donor oder Akzeptor
von Wasserstoffbrücken fungieren
• Ser und Cys können an katalytischen Mechanismen im aktiven
Zentrum von Enzymen beteiligt sein
• Cys kann Disulfidbrücken ausbilden
(Oxidation zum Cystin)
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Biopolymere
Molecular Modelling
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Saure Aminosäuren
Glutaminsäure
Asparaginsäure
O
H2N
CH
C
O
OH
H2N
CH2
C
CH
C
OH
CH2
O
CH2
OH
C
O
OH
• bei physiologischem pH-Wert negativ geladen
• oft an der Oberfläche von Proteine lokalisiert
• Ausbildung von Salzbrücken zu positiv geladenen Aminosäuren
möglich
• Fähigkeit zur koordinativen Bindung von Metallionen
katalytische Rolle im aktiven Zentrum von Metalloenzymen möglich
Michael Meyer
Molecular Modelling
Basische Aminosäuren
Histidin
Lysin
H2N
CH
C
CH2
Arginin
O
O
OH
H2N
CH
C
O
OH
H2N
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
NH
NH2
C
C
OH
N
NH
NH
NH2
• bei physiologischem pH-Wert positiv geladen.
• können Salzbrücken mit Asp oder Glu bilden
• wichtig bei der Bindung anionischer Liganden (z.B. ATP)
• His kann Säure-Base-Katalysator wirken und Metallionen koordinieren
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Biopolymere
Molecular Modelling
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Aminosäuren mit besonderen
Konformationseigenschaften
Glycin
Prolin
O
H2N
CH
C
O
OH
C
OH
H
HN
• Gly hat keine Seitenkette
geringe Einschränkungen der Flexibilität im Rückgrat
oft in Schleifenregionen
häufig in Faserproteinen (Flexibilität und enge Packung zu
benachbarten Ketten)
• Pro ist stark konformativ eingeschränkt („Helixbrecher“)
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Molecular Modelling
pK-Wert
Dissoziation einer Säure
Bei 50% Dissoziation gilt
Bei pH = pKs ist die Säure zur Hälfte dissoziiert.
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Biopolymere
Molecular Modelling
10
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pK-Werte von Aminosäuren in Proteinen
Funktionelle Gruppe
pK-Wert
α-Carboxylgruppe
R-COO-
1.8-2.4
Seitenkettencarboxylgruppe
R-COO-
3.9-4.1
NH-Gruppe im Histidin
HIP
6.0
Sulfhydrylgruppe im Cys
R-SH
8.4
α-Aminogruppen
R-NH3+
8.6-9.7
ε- Aminogruppe im Lys
R-NH3+
10.5
Phenolische Hydroxylgruppe im Tyr
Ar-OH
10.1
Guanidin im Arg
R-NH-C(NH2)=NH2+
2.5
D. Voet et al., Fundamentals of Biochemistry
Michael Meyer
Molecular Modelling
Wasserstoffbrücken in Sekundärstrukturelementen
Reguläre Strukturen in Polypeptiden
Häufig:
Sonderfälle:
α-Helix, β-Faltblatt, β-Schleife(Turn)
310-Helix, π-Helix, Polyprolin
Wasserstoffbrückenbindungen
Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen positiv geladenen H-Atomen
und negativ geladenen Akzeptoratomen (z. B. O, N) ohne direkte Bindung
N-H....O=C
r(H...O) < 2.5 Å, α(N-H...O) > 120˚ (1 Å = 10-10 m)
Wasserstoffbrückenbindungen in Sekundärstrukturelementen
π-Helix
α-Helix
310-Helix
β-Turn
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Biopolymere
Ni+5-H ...Oi
Ni+4-H ...Oi
Ni+3-H ...Oi
Ni+3-H ...Oi
Molecular Modelling
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Wasserstoffbrücken in Helices
π -Helix
Michael Meyer
α-Helix
310-Helix
Molecular Modelling
α-Helices
Modell aufgestellt durch Pauling (1951)
32-38% aller AS globulärer Proteine
C=O und H-N bilden eine H-Brücke
zwischen den Aminosäuren i und i+4
regelmäßige, stabile Anordnung
parallele Ausrichtung der Bindungsdipole
Seitenketten zeigen nach außen
Idealfall: Φ = -57°, Ψ = -47°
3.6 Aminosäuren pro Umdrehung
Anstieg der Helix pro Aminosäure 1.5 Å
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Molecular Modelling
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β-Strang
Modell aufgestellt von Pauling und Corey
nach Untersuchung faseriger Keratine
(1951)
Zickzack-artige Anordnung (Φ = -120°, Ψ
= 120°), daher wesentlich gestreckter als αHelix
Peptidbindungen benachbarter Aminosäuren zeigen in entgegengesetzte
Richtung, ebenso die Seitenketten
(senkrecht zur CO-NH-Ebene)
Wiederholung der Ausrichtung nach 7.0 Å
Mehrere β -Stränge (strands)können sich
durch Ausbildung von Wasserstoff-Brücken
zu β-Faltblättern (sheets) anordnen
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Molecular Modelling
β-Faltblatt
Paralleles
antiparalleles
Faltblatt (sheet)
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Molecular Modelling
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β-Schleifen
H-Brücke innerhalb eines Stranges
zwischen O(i) und NH(i+3).
oft an der Proteinoberfläche lokalisiert
und in antiparallelen Faltblättern
Schleifen des Typs I und II
unterscheiden sich in den Φ /Ψ –
Winkeln der Aminosäuren i+1 und i+2
Typ I
Schleifen des Typs III
Entspricht einer Umdrehung einer rechts(III) bzw. linkshändigen (III‘) 310-Helix
Typ II
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Molecular Modelling
Charakteristische Torsionswinkel von Aminosäuren
Ramachandran Plot
In einem Ramachandran-Plot werden die Torsionswinkel für Drehungen um die Cα-N
Bindung (Φ) und die Cα-C Bindung (Ψ) gegeneinander aufgetragen. Aus sterischen
Gründen sind nur bestimmte Winkelkombinationen erlaubt.
ψ
ψ
φ
Glycin
φ
Alanin
Typische Torsionswinkel in Peptidstrukturen
antiparalleles β-Faltblatt
paralleles β-Faltblatt
α-Helix
310-Helix
π-Helix
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Biopolymere
Φ/˚
-139
-119
-57
-49
-57
Ψ/˚
135
113
-47
-26
-70
Molecular Modelling
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23.09.2013
Hirarchie der Proteinstrukturen
• Primärstruktur
Lineare Sequenz der Aminosäuren (Polypeptidkette)
• Sekundärstruktur
Faltung des Rückgrates (Helix, Schleife, Faltblatt) einer
Polypeptidkette
• Tertiärstruktur
3D-Struktur der gesamten Polypeptidkette einschließlich der
Seitenketten
• Quartärstruktur
Räumliche Anordnung mehrerer Polypeptidketten (Untereinheiten)
zu einem Oligomer oder Proteinkomplex
Michael Meyer
Molecular Modelling
Motive und Domänen
• Motiv oder Supersekundärstruktur
mehrere Sekundärstrukturelemente,
z. B. helix-turn-helix (HTH), zinc finger, β-barrel, β-hairpin,
greek key motif
• Domäne
eigenständige Teilstruktur innerhalb der Peptidsequenz eines
Proteins gebildet durch mehrere Sekundärstrukturelemente
oft spezifische Funktion, z. B. Bindungsdomäne eines Liganden
Michael Meyer
Biopolymere
Molecular Modelling
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23.09.2013
Darstellung von Proteinstrukturen
HIV-Protease
Michael Meyer
Molecular Modelling
Darstellung von Proteinstrukturen II
Cyclin-abhängige Kinase 2 (CDK2)
Proteinrückgrat und Ligand
Isopentyladenin
Michael Meyer
Biopolymere
blau = polar, grün = hydrophob,
violett = Donor / Akzeptor
Molecular Modelling
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