Vorlesung Biophysik I - Molekulare Biophysik Kalbitzer/Kremer/Ziegler

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1 Vorlesung Biophysik I - Molekulare Biophysik Kalbitzer/Kremer/Ziegler Zelle Biologische Makromoleküle I Biologische Makromoleküle II Nukleinsäuren-Origami (DNA, RNA) Aminosäuren-Origami (Protein-Nanotechnologie) Molekulare Motoren Methoden zur Strukturbestimmung: Magnetische Resonanzspektroskopie I - Grundlagen Magnetische Resonanzspektroskopie II - Mehrdimensionale NMR- Spektroskopie Magnetische Resonanzspektroskopie III Proteinstrukturbestimmung, Dynamik und Bewegung, ESR-Spektroskopie Röntgenstrukturanalyse I Streuung von Wellen, Faltungstheorem, Pattersonfunktion, Phasenproblem Röntgenstrukturanalyse II - Synchrotronstrahlung, zeitaufgelöste Kristallographie Röntgenkleinwinkelstreuung Elektronenmikroskopie I Elektronenoptik, Kontrastentstehung und Bildinformation Elektronenmikroskopie II Kristalline Objekte, Tomographie Klausur

2 Schwache Wechselwirkungen in Proteinen (Alberts, Bray, Lewis, Roberts & Watson: Molecular Biology of the Cell)

3 Proteinstruktur und -faltung ist i.a. durch schwache, nicht-kovalente Wechselwirkungen bestimmt Einflüsse und Änderungen der schwachen Wechselwirkungen liefern Informationen über Konformationsgleichgewichte von Proteinen in Lösung.

4 Proteinstruktur ist i.a. durch schwache nichtkovalente Wechselwirkungen bestimmt

5 Faltungsmodelle U N Zweizustandsmodell U I N Faltungsintermediat U N Faltungsintermediat X X n Molten Globule Modell

6 Schematische Freie-Energie Oberflächen (F) Faltung eines 27-mers als Funktion der nativen Kontakte Q 0 und der totalen Anzahl C von (nativen und nicht-nativen) Kontakten (Monte-Carlo-Analyse). Die gelben Pfeile stellen den Mittelwert der Faltungswege aus 1000 Berechnungen mit jeweils verschiedenen Anfangsbedingungen dar. Rot und grün sind zwei Standardabweichungen dargestellt, in denen 95 % der Faltungswege enthalten sind. (Dinner, Sali, Smith, Dobson & Karplus, Trends Biochem. Sci., 2000, 25: )

7 Schematische Freie-Energie Oberflächen (F) Faltung von Hühnerlysozym, 129 Aminosäuren bestehend aus und Untereinheiten. Q (Q ) ist die Anzahl von nativen Kontakten in der ( ) Domäne. Die gelben Pfeile zeigen einen schnellen Faltungsweg, in dem und Domäne gleichzeitig formen und das Intermediat / nur kurz besetzt ist. Die roten Pfeile zeigen einen langsamen Faltungsweg, in dem die Polypetidkette in einem langlebigen Intermediat gefangen ist und nur durch Überquerung einer hohen Energiebarriere und lokales Entfalten in die native Konformation überführt werden kann. Amidprotonen, die nicht mit dem Lösungsmittel austauschen, sind für die Domäne rot und für die Domäne in gelb dargestellt, austauschbare in blau. (Dinner, Sali, Smith, Dobson & Karplus, Trends Biochem. Sci., 2000, 25: )

8 Faltungstrichter - Levinthalmodell G micro

9 Faltungstrichter - Definierter Faltungsweg

10 Idealer, durch die Evolution optimierter Faltungstrichter 20 to 80 kj mol -1

11 20 to 80 kj mol -1 Realer Faltungstrichter

12 Untersuchung von strukturellen Intermediaten Volume theorem Methoden um Populationen von Zuständen zu untersuchen - Druck - Temperatur - Chemische Änderungen Mutationen Substratanaloge Lösungsmittel

13 Realistischer Faltungstrichter mit zwei Zuständen G 0 : 80 kj mol -1 functional state 1 functional state 2 G = : 56 kj mol -1

14 Faltungstrichter Formung erster Sekundärstrukturelemente Faltungs- Intermediat, expandierte Form des gefalteten, nativen Zustandes Nach: Brooks, Grübele, Onuchic, Wolynes, PNAS 95, (1998)

15 Faltungstrichter Bereich, ab dem die Faltung downhill verläuft, aufgrund von enthalpischem Gewinn durch entstehende native Wechselwirkungen, wie z.b. O-H- Brücken T g, Energie, die nötig ist, um von einem Faltungsintermediat zum anderen zu gelangen Nach: Brooks, Grübele, Onuchic, Wolynes, PNAS 95, (1998)

16 Faltungstrichter Nach: Brooks, Grübele, Onuchic, Wolynes, PNAS 95, (1998)

17 Faltungstrichter a) Hoch frustrierte Landschaft mit T g >T f b) Gering frustrierte Landschaft, T g <T f, Trichterform, Protein faltet native Proteine

18 Energielandschaft Nach: Wolynes, Phil. Trans. R. Soc. 363, 456 (2004) a) Trichter- Landschaft eines nativen Proteins; Bei hoher Temperatur sind die Proteinkonfigurationen am oberen Ende des Trichters zu finden, und fallen bei erreichen der Faltungstemperatur plötzlich zu Boden (Faltung in eine native Konformation) b) Trichter- Landschaft eines zufälligen Heteropolymers; nimmt die Temperatur ab, und ist gering genug, um bestimmte Konformationen zu stabilisieren, existieren diese zunächst nebeneinander, das Entkommen aus diesen Energiefallen verlangsamt die Suche nach einem stabilen Zustand erheblich

19 Protein-Struktur Sekundärstruktur elemente

20 Protein-Struktur Sekundärstruktur elemente

21 Protein-Struktur Sekundärstruktur elemente

22 Protein-Struktur Sekundärstruktur elemente

23 Dynamische Instabilitäten

24 Dynamische Instabilitäten

25 Tretmühlen

26 Nukleation Polymerisation

27 Polymerisation

28 Protein Nanotechnologie

29 Gezielte Aggregation bei Proteinen

30 Amyloid Aggregationen

31 Amyloid Aggregationen

32 Aggregationen von Viren (Self-assembly)

33 Virenbatterie

34 Lego mit Molekülen

35 Lego mit Molekülen

36 Lego mit Molekülen

37 Lego mit Molekülen

38 Lego mit Molekülen

39 Lego mit Molekülen

40 Lego mit Molekülen

41 Lego mit Molekülen

42 Lego mit Molekülen

43 Lego mit Molekülen

44 Lego mit Molekülen

45 Lego mit Molekülen

46 Lego mit Molekülen

47 Lego mit Molekülen

48 Lego mit Molekülen

49 Lego mit Molekülen

50 Future project: Extracellular cannulae of the hyperthermophilic archaeum Pyrodictium abyssi Extracellular cannulae: hollow tubes with a diameter of 25 nm Temperatures up to 140 C 5 polypeptides (Rieger et al., J. Struct. Biol., 1995, 115: 78-87)

51 Nanotechnology: Hollow organic nanotubes (Bong et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40: ) Entropically driven self-assembly of multichannel rosette nanotubes. (Fenniri et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2002, /pnas )

52 Der Zellkern der Disco-sphaera tubifera ist umgeben von trompetenförmigen Coccolithen

53 Es gibt rund 250 Coccolithophoridenarten: hier Syraco-sphaera pulchra

54 Algirosphaera robusta lebt in Tiefen von mehr als 50 Metern

55 Bekannteste Coccolithophoride: Die Emiliana huxleyi findet man in fast allen Meeresgebieten.

56 Kieselalgen

57 Kieselalgen

58 Kieselalgen

59 Leichtmetallbauweise

60 Radiolare

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70 Vorlesung Biophysik I - Molekulare Biophysik Kalbitzer/Kremer/Ziegler Zelle Biologische Makromoleküle I Biologische Makromoleküle II Nukleinsäuren-Origami (DNA, RNA) Aminosäuren-Origami (Protein-Nanotechnologie) Molekulare Motoren Methoden zur Strukturbestimmung: Magnetische Resonanzspektroskopie I - Grundlagen Magnetische Resonanzspektroskopie II - Mehrdimensionale NMR- Spektroskopie Magnetische Resonanzspektroskopie III Proteinstrukturbestimmung, Dynamik und Bewegung, ESR-Spektroskopie Röntgenstrukturanalyse I Streuung von Wellen, Faltungstheorem, Pattersonfunktion, Phasenproblem Röntgenstrukturanalyse II - Synchrotronstrahlung, zeitaufgelöste Kristallographie Röntgenkleinwinkelstreuung Elektronenmikroskopie I Elektronenoptik, Kontrastentstehung und Bildinformation Elektronenmikroskopie II Kristalline Objekte, Tomographie Klausur