cys

Aufgabe 4 (Sekundärstruktur)
Fragestellung
- Durch welche Eigenschaften zeichnen sich α-Helices und β-Faltblätter aus?
Belegen Sie Ihre Antwort mit den entsprechenden Daten. (phi/psi-Winkel).
- Wodurch werden Sekundärstrukturelemente stabilisiert?
- Welche weiteren Sekundärstrukturen können sie finden?
- Wohin zeigen die Seitenketten bei α-Helices und β-Faltblättern?
Verwendet wurde die Struktur 1scy.pdb.
Ergebnisse
Abb. 4.1: Peptidtorsionswinkel
• Winkel innerhalb eines ß-Faltblattes
Aminosäure
phi φ [°]
Leu 18
-109,2
Gly 19
-64,6
Lys 20
-135,9
Cys 21
-111,8
Ile 22
-86,1
Lys 25
-156,6
Cys 26
-71
Glu 27
-127,6
Cys 28
-145,2
psi Ψ [°]
94,8
130,5
138,8
107,9
161,7
159,9
141,5°
172,6
97,2
• Länge der H-Brücken im Faltblatt
Lys25.O-Ile22.N: 2,764 Å
Glu27.N-Lys20.O: 2,924 Å
Glu27.O-Lys20.N: 2,973 Å
Val29.N-Leu10.O: 2,939 Å
Mittelwert: 2,9 Å
• Winkel innerhalb der α-Helix
Aminosäure
Arg 6
Met 7
Cys 8
Gln 9
Leu 10
Ser 11
Cys 12
Arg 13
Ser 14
phi φ [°]
-64,5
-61,9
-56,7
-51,6
-58,3
-64,9
-64,4
-66,3
-56,3
psi Ψ [°]
-49
-46,1
-52,4
-50
-52.4
-42,7
-42,7
-32,2
-33,4
phi φ [°]
psi Ψ [°]
• Länge der H-Brücken in α-Helix
Leu5.O-Gln9.N: 2,798 Å
Arg6.O-Leu10.N: 2,934 Å
Met7.O-Ser11.N: 2,855 Å
Cys8.O-Cys12.N: 2,903 Å
Gln9.O-Arg13.N: 2,686 Å
Leu10.O-Ser14.N: 2,887 Å
Mittelwert: 2,843 Å
• Winkel innerhalb von „loops“
Aminosäure
Asp 24
Gly 23
Leu 17
Gly 16
-81,5
-40
-83,3
90,3
Messung des Torsionswinkel omega:
Leu17.CA – Leu17.C – Leu18.N – Leu 18.CA: -177,5°
Leu 18.CA – Leu18.C – Gly19.N – Gly19.CA: 178,8°
-46,3
-50,1
177.9
-20,8
180
psi
90
0
-180
-90
0
90
180
X
-90
-180
phi
alpha-Helix
Beta-Faltblatt
Loop
Abb.4.2: Ramachandran-Plot mit eingetragenen Winkeln
Optimale Werte im roten Bereich, Werte im gelben Bereich noch möglich
α-Helix mit H-Brücken
Abb.4.3: α-Helix in cpk Farben
H-Brücken in grün.
Die H-Brücken verlaufen fast parallel.
Abb.4.4: α-Helix in cpk Farben mit Seitenketten
Seitenketten in Schwarz.
Die Seitenketten zeigen nach außen.
Abb.4.5: α-Helix mit van der W-Radien
Seitenketten rot und backbone grün (AS 5-14).
Die Seitenketten zeigen nach außen.
ß-Faltblätter mit H-Brücken
beide H-Brücken sind möglich
aber nicht gleichzeitig. RasMol
kann nicht entscheiden
welche die Richtige ist,
deshalb werden beide
abgebildet
Abb.4.6: β-Faltblatt
backbone in cpk-Farben, H-Brücken in grün.
Man erkennt die H-Brücken zwischen 2 Polypeptidsträngen.
Abb.4.7: ß-Faltblatt mit Seitenketten
backbone in cpk-Farben, H-Brücken in grün, Seitenketten in schwarz.
Die Seitenketten zeigen nach oben und unten.
Auswertung / Diskussion
α-Helix:
Die α-Helix liegt in der Polypeptidkette in Form einer rechtsgewundenen Schraube
vor. Dabei bilden 3,6 Aminosäuren eine Windung, deren Ganghöhe 0,54nm beträgt.
In Proteinen besteht die α-Helix durchschnittlich aus 12 Aminosäuren. Die α-Helix
wird durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert, die sich zwischen der
Carbonylgruppe der n-ten Aminosäure und der Aminogruppe der (n+4)ten
Aminosäure ausbilden. Die Wasserstoffbrücken verlaufen nahezu paralleles zur
Achse der α-Helix (vgl. Abb.4.3). Dabei zeigen die Sauerstoffatome der
Carbonylgruppe der Peptidbindungen alle in dieselbe Richtung, sodass die α-Helix
einen Dipol darstellt. Die Seitenketten ragen dabei nach außen (vgl. Abb.4.4 und 4.5)
Innerhalb der α-Helix sind nur bestimmte Torsionswinkel der Winkel φ und Ψ
(Abb. 4.1) erlaubt. Drehung um den Winkel omega ist aufgrund des partiellen
Doppelbindungscharakters der Peptidbindung nicht möglich. Die erlaubten
Winkelkombinationen von φ und Ψ kann man dem Ramachandran-Plot entnehmen.
Die gemessenen Torsionswinkel innerhalb einer α-Helix-Struktur stimmen sehr gut
mit den erlaubten Winkeln des Ramachandran-Plots überein. Es wurden die
Torsionswinkel aufeinander folgender Aminosäuren gemessen. Da alle in dem der αHelix zugeordneten Bereich des Ramachandran-Plots liegen, handelt es sich
eindeutig um eine α-Helix.
Mithilfe von RasMol ist es also möglich, anhand der Torsionswinkel Aussagen über
Sekundärstrukturen zu machen.
β-Faltblatt:
Auch das β-Faltblatt wird durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. Dabei wird
die gesamte Wasserstoffbrückenbindungskapazität maximal ausgenutzt. Jedoch
treten bei β-Faltblättern H-Brücken zwischen benachbarten Polypeptidsträngen auf
und nicht innerhalb eines Polypeptidstranges wie bei der α-Helix. Die Peptidkette ist
dabei in Zickzack-Form gefaltet (vgl. Abb.4.6), wobei die β-strands entweder parallel
oder antiparallel zueinander sein können, entsprechend verwendet man die Begriffe
"paralleles" und "antiparalleles" β-Faltblatt.
Während die α-Helix eng geknäult ist, weist das β-Faltblatt eine mehr plattenartige
Struktur auf und die Polypeptid-Kette ist fast komplett gestreckt. Die Seitenreste
ragen alternierend zur einen und zur anderen Seite des Faltblattes, fast senkrecht zu
der Ebene der Wasserstoff-Brücken (vg. Abb.4.7)
Auch hier stimmen unsere gemessenen Torsionswinkel innerhalb eines β-Faltblatts
sehr gut mit der erlaubten Winkeln des Ramachandran-Plots überein: die
Torsionswinkel aufeinander folgender Aminosäuren lagen alle im Bereich des
Ramachandran-Plots, der für β-Faltblätter typisch ist.
loop:
Bei einem loop weisen die aufeinander folgenden Aminosäuren sehr unterschiedliche
Torsionswinkel auf, sodass sie nicht in einen bestimmten Bereich im RamachandranPlot eingeordnet werden können. Durch diese Eigenschaft können loops schon allein
durch ihre Torsionswinkel von den ß-Faltblättern oder der α-Helix unterschieden
werden.
Torsionswinkel omega:
Außerdem wurde der Torsionswinkel omega bestimmt.
Winkel von 180° bzw. -180° waren bei einer trans-Peptidbindung zu erwarten
gewesen. Jedoch zeigte die Messung, dass der omega-Winkel um wenige Grad von
180° abweicht (-177,5° bzw.178,8°). Das liegt daran, dass die Peptidbindung nicht
immer planar ist sondern auch leicht in sich verdreht sein kann. Deshalb sind
Abweichungen von 5-6° nichts Ungewöhnliches.
Längen der H-Brücken:
Des Weiteren wurden die Längen der H-Brücken bei der α-Helix und dem ß-Faltblatt
bestimmt. Die Messungen ergaben, dass die H-Brücken der α-Helix beim unserem
Messungen im Schnitt um ca. 0,06Å kürzer sind als die des ß-Faltblattes. Die Gründe
für diese minimale Abweichung können vielfältig sein, außerdem wurde in Aufgabe 3
bereits auf die Problematik der ungenauen Längenbestimmung bei RasMol
eingegangen, sodass die hier aufgetretenen minimalen Variationen der Länge nicht
noch einmal näher diskutiert werden sollen.