1. Biochemie- Seminar Proteine 1

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1 1. Bichemie- Seminar Prteine 1 1. Bichemieseminar Prteine 1 Aufbau und Struktur der Prteine Aufbau - Prteine = lange unverzweigte Ketten aus 100+ Aminsäuren (meist ca ) [2 99 Aminsäuren = Peptide, s.u.] - Aminsäuren sind über Peptidbindungen verbunden (Säure-Anhydrid-Bindung; Carbxylgruppe + Amingruppe unter Wasserabspaltung) partieller Dppelbindungscharakter schränkt Drehbarkeit ein ( resnanzstabilisiert ) AS mit freier Amingruppe = N-terminal As mit freier Carbxylgruppe = C-terminal - O- und H- Atme können mit anderen Peptidbindungen Wasserstffbrücken bilden (wichtig für Strukturbildung, s.u.) Stabilität - Hydrlyse vn Peptidbindungen ist energetisch favrisiert aber sehr langsam; katalysiert durch mineralische Säuren (z.b. HCL 6mlar) - enzymatische Spaltung durch z.b. Trypsin (Endpeptidase) (Lys, Arg) Chymtrypsin (Endpeptidase) (Tyr, Trp, Phe, Leu) Thrmbin (Arg) - chemische Spaltung durch z.b. Brmid (Met) Klassifizierung vn Aminsäurestrukturen - Größe bis 10 Aminsäuren: Oligpeptid bis 100 Aminsäuren: Peptid - Frm ab 100 Aminsäuren: Prtein glbulär (kugelförmig) z.b. in Hämglbin hydrphbe Seitenketten liegen innen ( Hydrphilie) fibrillär (länglich) z.b. in Kllagenen, Keratinen meist hydrphb - Löslichkeit je höher der Anteil an hydrphben Aminsäuren dest hydrphber die Struktur sehr hydrphbe Prteine finden sich in der Plasmamembran [es gibt einen Hydrphbitätsindex] - Zusammensetzung man unterscheidet Peptide und Prteine bei deren Hydrlyse nur Aminsäuren frei werden auch Nichtprteine frei werden wie z.b. Khlenhydrate, Lipide, Metalle - 1 -

2 Struktur - bestimmt vn nicht-kvalenten Kräften van-der-waals (zwischen unplaren Mlekülen; 0,4-4 kj/ml) Wasserstffbrücken (abhängig vm Abstand der Ple; kj/ml) Inenbindung (20 kj/ml) hydrphbe Interaktinen (hydrphbe Bereiche lagern beieinander unter Wasserausschluss; < 40 kj/ml) Primärstruktur - Abflge der durch Peptidbindungen verknüpften Aminsäuren Peptidbindung partieller Dppelbindungscharakter (Mesmeriezustände) - bleibt bei Denaturierung erhalten - Schlussflgerung auf aus ihr gebildeten Strukturen (zur Zeit nch) nicht möglich - Pathlgie: Sichelzellenanämie 1 AS auf Hämglbin-Seitenkette vertauscht (Glu6 Val6) Ostearthritis 1 AS im Kllagenprtein vertauscht Sekundärstruktur - Strukturen die sich durch Wasserstffbrücken zw. den Aminsäuren/ Peptidbindungen bilden; Seitenketten können Einfluss haben, jedch nie direkte Beteiligung - α- Helix rechtsgängige Schraube (als im Uhrzeigersinn) 3,6 Aminsäuren pr Windung; Steigung pr Aminsäure 1,5 Å; Steigung pr Windung demnach 5,4 Å; Aminsäuren- Seitenketten weisen nach außen Prlin ist ein Helixbrecher da es kein an α-aminsäure keine N-H-Gruppe für eine Wasserstffbrücke enthält amphipathische Helix mit einer hydrphben und einer hydrphilen Seite (AS- Seitenketten) können besnders gut dimerisieren *s.. hydrphbe Interaktinen + Snderfall: kllagene Helix gebildet aus 3 linksdrehenden Helices (als entgegen Uhrzeigersinn) jede 3. Aminsäure ist Glycin (aus sterischen Gründen); viel Prlin - β- Faltblatt parallele (weniger stabil; AS-Abstand 3,25 Å) der antiparallele (stabiler; AS-Abstand 3,46 Å) Anrdnung vn Prteinketten in einer Ebene Aminsäurereste ragen nach ben/unten aus der Ebene heraus Wasserstffbrücken zwischen dem Prteinketten - Schleifen (Lps/Turns) U- förmige Abschnitte der Aminsäurenkette verbinden α- Helices und β- Faltblätter eines Prteins - Supersekundärstruktur auch Mtiv ; definierte Kmbinatin vn α-helix und β-faltblatt srgen für spezifische Funktinen vn Prteinen z.b. DNA-Bindung ( Helix-Turn-Helix ) der Ca 2+ -Bindung ( EF-Hand ) scheinen besnders stabile Faltungselemente zu sein: lassen sich in vielen unverwandten Prteinen finden nicht zu verwechseln mit Dmänen! - 2 -

3 Tertiärstruktur - räumliche Anrdnung einer Aminsäurenkette und ihrer Reste - wird stabilisiert durch nicht-kvalente Wechselwirkungen der Aminsäurenreste - es bilden sich Dmänen strukturelle Dmänen: zusammenhängende Bereiche eine Prteins, die sich unabhängig vneinander falten können funktinelle Dmänen: Einheiten, die für bestimmte Prteinaktinen zuständig sind Quartärstruktur - nicht-kvalente Assziatin mehrerer in Primärstruktur identischer (=Hmplymere) der nicht-identischer (=Heterplymere) Untereinheiten zu einer Funktinseinheit - verleiht den Prteinen besndere funktinelle Eigenschaften - Grundlage für Kperativität vn Prteinen (z.b. Myglbin, Hämglbin) - Allsterie: Veränderung der Raumstruktur unter Beeinflussung des aktiven Zentrums/ Bindungszentrums durch Ligandenbindung Denaturierung/ Renaturierung: - Zerstörung der räumlichen Struktur ( Funktinsverlust) - kleine Prteine können reversibel denaturiert und renaturiert werden Infrmatinen für Ausbildung der Raumstruktur sind bereits in Primärstruktur vrhanden - irreversible Denaturierung meist durch chemische Przesse, z.b. Desaminierung vn Asparagin, Glycsylierung vn Lysinseitenketten Faltung - Prteine falten zum niedrigsten Energieniveau hin; lkales Energieminimum kann hierbei Frtschritt zur Endfrmatin verlangsamen - Phasen der Faltung 1. schnelle, reversible Ausbildung vn Sekundärstrukturen 2. Bildung vn Dmänen 3. Anrdnung der Dmänen zum nativen Prtein (rel. langsam); danach Ausbildung vn Disulfidbrücken zur Stabilisierung - Faltungshelfer Prtein-Disulfid-Ismerase (PDI) katalysiert Reduktin vn inkrrekten Disulfidbrücken Peptidyl/Prlyl-cis/trans-Ismerase Chaperne erkennen hydrphbe Reginen; binden Prtein unter ATP-Verbrauch - 3 -

4 Eigenschaften der Prteine - durch Peptidbildungen gebildetes Rückrat ist bei allen Prteinen gleich spezielle Eigenschaften ergeben sich aus den Aminsäurenseitenketten - Mnmer = 1 Plypeptidkette - Multimer = > 1 Plypeptidketten - fibrillär Plypeptide in langen Strängen der Lagen wassunlöslich da viele hydrphbe AS stark aber flexibel Strukturprteine - glbulär in sphärischer bzw. glbulärer Frm wasserlöslich (hydrphbe SK lagern nach innen, hydrphile nach außen) Variabilität der Sekundärstrukturen funktinelle Variabilität (Enzyme, regulatrische Prteine, etc.) Funktinen der Prteine - Aufbau nahezu sämtlicher Strukturen vn Zelle und Gewebe - Pren und Translkatren der Plasmamembran - bilden Enzyme und Rezeptren - geringe Pufferfunktin Titratinskurven vn Aminsäuren - Aminsäuren sind Amphlyte Amingruppen = schwache Basen pk vn 10,5 Carbxylgruppen = schwache Säuren pk vn 4,5 bei α-amin-carbnsäuren liegen Aminsäure und Carbxylgruppe am selben C- Atm Wechselwirkungen pk vn 9-10,5 bzw. 1,7-2,4 - Hendersn- Hasselbalch- Gleichung: - iselektrischer Punkt: ph an dem die Anzahl vn psitiven und negativen Ladungen eines Mleküls gleich ist - WICHTIG: Titratinskurven vn Alanin, Glutaminsäure, Lysin - 4 -

5 Mdifikatin vn Aminsäuren - kvalente Mdifikatin z.b. Phsphrylierung, hierbei wird auch eine Ladung eingefügt Veränderung der Eigenschaften - Reaktin zur Schiff schen Base Reaktin vn Aldehyd-der Ketgruppe mit Amingruppe unter Wasserabspaltung) - ADP-Ribsylierung hierbei wird ADP-Ribse vn NAD + auf eine N-H-Gruppe übertragen - Disulfidbrücken R-S-S-R - Glyksylierung N-glyksylierung: Zuckerrest wird auf einmal übertragen (z.b. an Asparagin) O-glyksylierung: Zucker werden Stück für Stück einzeln übertragen (z.b. an Serin) - Decarbxylierung vn Aminsäuren es entstehen bigene Amine: Histidin Histamin Tryptphan Sertnin Tyrsin Dpamin, Nradrenalin, Adrenalin Glutamat γ-aminbuttersäure (GABA) Methden zur Struktur- und Funktinsanalyse vn Prteinen Prteinreinigung (durch Säulenchrmatgraphie) - Inenaustausch-Chrmatgraphie Beads enthalten psitive der negative Ladung verlangsamen Prteine mit der gegengesetzten Ladung Wirkung ist abhängig vn ph und Ladungsstärke der Prtein-Lösung - Affinitäts-Chrmatgraphie Beads sind an Mleküle gekppelt, die mit gesuchtem Prtein interagieren (z.b. Antikörper, Enzymsubstrat) und binden s das jeweilige Prtein gefangene Prteine können mit Salzlösung der ph-veränderung wieder ausgewaschen werden - Gelfiltratins-Chrmatgraphie Beads enthalten Pren in denen sich Prteine verfangen; grße Prteine gelangen nicht in die Pren und werden zuerst ausgewaschen Prteinanalytik - SDS-Plyacrylamid-Gelelektrphrese negativ geladenes SDS (Natrium- Ddecylsulfat) lagert sich am Prtein an; dessen Ladung ist nun prprtinal zur Größe Prtein wandert entsprechend seiner Größe und Ladung durch ein elektrisches Feld; Vergleich mit Eichprteinen ergibt Rückschlüsse auf das Mlekulargewicht für Aufteilung der Prteine nach ihrem iselektrischem Punkt: Denaturierungsmittel wird zugesetzt Gel- Elektrphrese auf Plyacylamidgelstreifen mit ph-gradient Prtein wandert zum iselektrischen Punkt - 5 -

6 - Edmann- Abbau geeignet bis ca. 40 Aminsäuren/ Zyklen (wegen Verunreinigungen) N-terminale Aminsäure eines Prteins wird mit PITC [Phenylisthicyanat] markiert und dieser Kmplex dann chemisch abgespalten mittels Chrmatgraphie wird eine Darstellung des Laufverhaltens möglich und die kmplexierte Aminsäure kann bestimmt werden Peptidkette wird hierdurch schrittweise abgebaut und die enthaltenen AS bestimmt - Massenspektrskpie 2002 Nbelpreis für Fenn/Tanaka Prtein wird vn Laser inisiert und seine Fragmente durch ein el. Feld beschleunigt im Detektr wird aus Flugzeit das Masse/Ladungs-Verhältnis knstruiert Aufschlüsse über Zusammensetzung der Prbe - Röntgenstrukturanalyse bestimmt die Struktur vn Prteinen im kristallinen Zustand Prtein muss als Einkristall vrliegen wird mit mnchrmatischer Rx- Strahlung bestrahlt (Wellenlänge < Auflösung) auf Kamerabild erscheinen tausende Reflexe die die Ortskrdinaten der Atme bestimmen lassen Nachteile: kristalline Prteine haben leicht andere Struktur als im gelösten Zustand einkristalline Prteinpräparate sind sehr schwer herzustellen - 6 -