Grundlagen der Molekularen Biophysik WS 2011/12 (Bachelor) Dozent: Prof. Dr. Ulrike Alexiev (R , Tel /Sekretariat Frau Endrias Tel.

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1 Grundlagen der Molekularen Biophysik WS 2011/12 (Bachelor) Dozent: Prof. Dr. Ulrike Alexiev (R , Tel /Sekretariat Frau Endrias Tel ) Tutoren: Dr. Kristina Kirchberg Alexander Boreham 6-stündig (2x2-stündige Vorlesung, 1x2-stündige Übung) Vorlesung: Di, Do Uhr Beginn: (FBR Raum) Übung: Mo 8:30-10 Uhr, Uhr Beginn: SR E2, FBR Raum Folgende Folien sind nur zur Verwendung in der Vorlesung und nicht für Veröffentlichung und Weiterverbreitung

2 Stabilisierende Kräfte in Makromolekülen + Disulfid-Brücken

3 Die Wasserstoffbrücke in Proteinen Stabilisierendes Element für Sekundärstruktur

4 Wasser als Konkurrenz zu Wasserstoffbrücken im Protein Ist eine spezielle Art von Dipol-Dipol-Wechselwirkung (elektrostatisch) Die Annäherung der beiden Dipole kann auf sehr kleine Entfernungen erfolgen ( nm), und teilweise sogar Van-der-Waals-Radien unterschreiten kovalente Beiträge Bindungsenergie: 1 to 40 kcal/mol und ist abhängig vom Bindungsabstand Bindungsenergien sind nicht nur elektrostatisch zu erklären, quantenmechanische Aspekte müssen berücksichtigt werden. Schwache Bindung, kann durch thermische Stöße im biol. Temperaturbereich zerstört werden.

5 Wasserstoff-Brücken Hydrophobe Kräfte Hydratationskräfte Hydrophob = wasserabstoßend Hydratation = Anlagerung von Wassermolekülen

6 Was passiert, wenn unpolare/amphiphile Moleküle in Wasser gelöst werden? hydrophober Effekt, Entropieeffekt Beispiel: hydrophobe Aminosäureseitenketten eines Proteins unpolar freies Wasser: Ausbildung einer H-Brücke: DH Konfigurations-Freiheitsgrade: DS DG DH TDS (Gibbs-Helmholtz-Gleichung) DG, günstig DS unpolar H-Brücken vom hydrophoben Bereich weggerichtet: Zunahme der Ausrichtung: DS DG, ungünstig DG, günstig Die Zusammenlagerung der hydrophoben Ketten bewirkt eine Entropiezunahme, da die Kontaktfläche zwischen Wasser und unpolaren Grenzflächen verringert wird.

7 Hydropathie-Index (Kyte and Doolittle, JMB 157, 110, 1982)

8 Hydropathy plot for glycophorin A. a single membrane-spanning protein. Hydrophathicitv is measured by the free energy required to transfer each segment of the polypeptide from a nonpolar solvent to an aqueous medium. Values above the 0 line are energy requiring (+DG), indicating they consist of stretches of amino acids that have predominantly nonpolar side chains. Peaks that project above the red-colored line are interpreted as a transmembrane domain.

9 Was passiert, wenn unpolare/amphiphile Moleküle in Wasser gelöst werden? polar unpolar Mizelle Protein Hydrophobe Kräfte verantwortlich für das Zusammenbringen von unpolaren Gruppen in wässriger Umgebung resultiert aus der Vermeidung von thermodynamisch ungünstigen Interaktionen von unpolaren Gruppen mit Wasser (Entropieeffekt) treibende Kraft bei der Bildung von Lipidmembranen und beitragende Kraft zur Stabilisierung von Proteinen.

10 Was passiert, wenn polare Teilchen in Wasser gelöst werden? Wassermoleküle lagern unter der Bildung von Hydraten an dispergierte oder gelöste Ionen, Atome, Moleküle oder Kolloide an. Beispiel: NaCl Welche Kräfte führen zur Ausbildung einer Hydrathülle?

11 Was passiert, wenn polare Teilchen in Wasser gelöst werden? Die Fähigkeit zur Hydratisierung ist eine wichtige Eigenschaft von Wasser, die auf seinen Dipolcharakter zurückzuführen ist. (-) O d - d + H H d + (+) p ql Ion-Dipol-Wechselwirkung (elektrostatische Wechselwirkung) Der Dipol richtet sich im elektrischen Feld des Ions aus. Wasser vermindert die Stärke von elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Ionen gegenüber dem Zustand im Vakuum um den Faktor 80. D.h. die Hydrathülle hält Ionen in Lösung. Gilt auch für polare bzw. geladene Moleküle wie Proteine.

12 Elektrostatische Wechselwirkung und Hydrathülle Hydrathülle eines Proteins: ca. 1.2Å dick Lokale Dichte des Wassers ca. 10% höher als im freien Wasser Bestimmung mittels hydrodynamischer Parameter (klassisch), neue Methoden auf Einzelmolkül Basis, Röntgen-und Neutronenstreuungsmethoden Biophys Chem Nov 28;93(2-3): A unified picture of protein hydration: prediction of hydrodynamic properties from known structures. Zhou HX. Biophys Chem Nov 28;93(2-3): X-ray and neutron scattering analyses of hydration shells: a molecular interpretation based on sequence predictions and modelling fits. Perkins SJ.

13 Nucleinsäuren (DNA/RNA): Haben eine netto negative Ladung in wässriger Umgebung Stärkere Hydratisierung als Proteine ( g/g vs g/g) Glykosilierte Proteine und Polysaccharide: ~0.5 g/g d.h. höhere Affinität für Wasser

14 Wenn Ionen hydratisiert sind wie passen sie durch einen Ionenkanal in der Membran, Frage nach Selektivität? Vergleich Natrium und Kalium: Na+ ist kleiner, aber beide haben gleiche Ladung (K+) Konsequenz: unterschiedliche Oberflächenladungsdichte d.h. welches Ion hat eine grössere Oberflächenladungsdichte?

15 Wenn Ionen hydratisiert sind wie passen sie durch einen Ionenkanal in der Membran, Frage nach Selektivität und Stabilität? Vergleich Natrium und Kalium: Na + ist kleiner, aber beide haben gleiche Ladung (K + ) Konsequenz: unterschiedliche Oberflächenladungsdichte d.h. welches Ion hat eine grössere Oberflächenladungsdichte? Na + Dadurch auch mehr gebundenes Wasser d.h. grössere Hydrathülle Na + : 4.5 im Mittel K + : 2.9 im Mittel Kaliumkanal

16 Hydratisierungskräfte sind elektrostatischer Natur gehen auf den elektrischen Dipolcharakter des Wassers zurück. Ionen-Dipol-Wechselwirkung ist für die Ausbildung der ersten Schicht verantwortlich Die Hydrathülle schwächt die gegenseitige Anziehung von Ionen bzw. polaren und geladenen Molekülen und hält sie in Lösung. Die Hydrathülle führt zu einem größerer effektiver Radius (Einfluss auf Diffusion, Transport von Ionen durch Ionenkanäle und Poren). Hydratation hat Einfluss auf Dynamik und Funktion von Biomolekülen.

17 Zusammenfassung Hydrophobe Kräfte verantwortlich für das Zusammenbringen von unpolaren Gruppen in wässriger Umgebung aufgrund des Entropiegewinns und einer entsprechenden Minimierung der freien Energie des Systems. Entropie Effekt treibende Kraft bei der Bildung von Lipidmembranen und beitragende Kraft zur Stabilisierung von Proteinen (Energie: ~4 kj/mol entspricht ca. 2x Hydratisierungskräfte beruhen auf Ion-Dipol-Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und polaren bzw. geladenen Molekülen oder Teilchen. Elektrostatischer Effekt verantwortlich für die Löslichkeit von Ionen und vielen Proteinen. beitragende Kraft zur Proteinstabilität.

18 7. VORLESUNG Kofaktoren bringen Farbe ins Leben I Kofaktorentypen in der Übersicht

19 Was sind Kofaktoren? Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii) oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind. Warum sind sie notwendig? Funktion und Struktur

20 Was sind Kofaktoren? Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii) oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind. Warum sind sie notwendig? Funktion und Struktur Kovalent Bakteriorhodopsin Rhodopsin

21 Retinal ist als Kofaktor kovalent über eine protonierte Schiffsche base an ein Lysin Rest des Opsins gebunden C-term 6 hn E247 R135 T251 Y136 E134 Y306 N302 W126 E122 S298 H211 S Ret E113 E C316 F313 P303 N55 D83 K H8

22 Was sind Kofaktoren? Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii) oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind. Warum sind sie notwendig? Funktion und Struktur Kovalent z.b. Bakteriorhodopsin Rhodopsin Nicht-Kovalent z.b. Chlorophyll

23 Chlorophylle sind nicht-kovalent in großen Proteinkomplexen gebunden Photosynthese Struktur des Antennenkomplex LH2 eines Purpurbakteriums. Die BChl sind gelb (B800) und orange (B850) gezeichnet. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden die Phytylschwänze nicht gezeichnet und die Proteinumgebung transparent dargestellt. Die Magnesiumatome im Zentrum der BChl sind als Kugeln dargestellt.

24 Was sind Kofaktoren? Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii) oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind. Warum sind sie notwendig? Funktion und Struktur Kovalent z.b. Bakteriorhodopsin Rhodopsin Nicht-Kovalent z.b. Chlorophyll Komplexbildung z.b. Fe-S-Cluster

25 Fe-S-Cluster 1bcc Rieske protein is a iron-sulfur protein (ISP) component of cytochrome bc1 complex and the cytochrome b6f complex which was first discovered and isolated by John S. Rieske and co-workers in It is a unique [2Fe-2S] cluster in that one of the two Fe atoms is coordinated by two histidine residues rather than two cysteine residues.

26 Kofaktoren im Überblick I. Pigment, Chromophore Bacteriorhodopsin (br) II. Redoxfaktoren, Elektronentransport Alkohol-Dehydrogenase (ADH) III. Katalysatorfunktion, Substrataktivierung Cytochrom C oxidase (COX) IV. Reine Strukturfunktion Alkohol-Dehydrogenase (ADH) Metallfreie Pigmente (Carotinoide, Retinale, Phycocyanin etc) Metall-organische Pigmente (Hämgruppe, Chlorophylle, etc) Organische Redox-Moleküle (NAD, Chinon, Flavin, Ascorbinsäure, etc) Redox-aktive Metall-Komplexe (Fe-S Cluster, blaue Cu-Zentren, etc) Redox-inaktive Metall-Komplexe (Ca-Zentren, Zn-Zentren etc) p p* Übergänge meistens stark absorbierend d-d Übergänge schwach absorbierend Lig-Me-charge transfer mittel bis stark absorbierend