Zusammensetzung und Struktur der Proteine. Stryer (6. Auflage) Kapitel 2

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1 Zusammensetzung und Struktur der Proteine Stryer (6. Auflage) Kapitel 2

2 Vielfalt der Proteine

3 Wie kommt diese Vielfalt an Proteinen zustande? 1. Peptide und Polypeptide sind Ketten aus 20 verschiedenen L-Aminosäuren (Primärstruktur). 2. Sekundärstrukturen von Polypeptiden 3. Tertiärstrukturen von Polypeptiden (Proteine) 4. Quartärstruktur von Proteinen 5. Aufbau grosser Polypeptide 6. Proteinmodifikationen

4

5 Proteine bestehen aus 20 verschiedenen -Aminosäuren Die Sequenz, die Reihenfolge der Aminosäuren entspricht der Primärstruktur. Diese bestimmt im wesentlichen die Sekundär-, Tertiär- und (wenn vorhanden) die Quartärstruktur eines Proteins. -Aminosäuren sind untereinander über Peptidbindungen verknüpft und bilden Peptide, bzw. Polypeptide. Polypeptide können Sekundärstrukturen ausbilden: z. B. - Helix, -Faltblatt und andere. Tertiärstruktur: die Sekundärstrukturen eines wasserlöslichen Polypeptids falten zu kompakten, dreidimensionalen Strukturen, wobei im Innern apolare Aminosäurereste bevorzugt auftreten.

6 Die L- und D-Isomere von Aminosäuren

7 Die L- und D-Isomere von Aminosäuren als Fischerprojektionen O OH O OH O OH O OH H 2 N H H 2 N H H NH 2 H NH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 L-Alanin D-Alanin

8 In Proteinen finden sich ausschliesslich L-Aminosäuren Nahezu alle L-Aminosäuren besitzen den (S)-Chiralitätssinn nach dem System von Cahn, Ingold und Prelog (RS- System). Die Anordnung der Substituenten nach absteigender Priorität gegen den Uhrzeigersinn steht für die S-Konfiguration des Chiralitätszentrums.

9 Ionisierungsgrad in Abhängigkeit des ph-wertes

10 pk 1 = 2.3 pk 2 = 9.7 Alanin c = 0.1 M ph pk w

11 Glycin und Alanin

12 AS mit aliphatischen Seitenketten COOH COOH COOH H 2 N H H 2 N H H 2 N H CH 2 CH H 3 C CH 3 H 3 C CH 2 H CH 3 CH 2 H 2 C S CH 3

13 Cyclische Struktur von Prolin COOH HN H Auch Prolin besitzt eine aliphatische Seitenkette, unterscheidet sich jedoch von den anderen 19 Aminosäuren dadurch, dass seine Seitenkette sowohl mit dem -Kohlenstoffatom als auch mit dem Stickstoffatom verbunden ist. Prolin beeinflusst die Architektur eines Proteins in hohem Masse, da es durch seine Ringstruktur in seiner Konformation stärker eingeschränkt wird als die anderen Aminosäuren.

14 AS mit aromatischen Seitenketten COOH COOH H 2 N H H 2 N H CH 2 CH 2 N H OH

15 AS mit aliphatischen Hydroxylgruppen COOH COOH H 2 N H H 2 N H CH 2 H OH OH CH 3

16 Cystein enthält eine Sulfhydryl- oder Thiolgruppe

17 Basische AS

18 Basische AS Lysin und Arginin besitzen vergleichsweise lange Seitenketten, deren Endgruppen bei ph = 7 positiv geladen sind. Lysin wird von einer primären Amino- gruppe, Arginin von einer Guanidiniumgruppe abgeschlossen. Histidin enthält eine Imidazolgruppe, einen aromatischen Ring, der ebenfalls positiv geladen sein kann. pk a = 12.5 pk a = 6

19 AS mit Carboxylaten und Carboxamiden in der Seitenkette COOH COOH COOH H 2 N H H 2 N H H 2 N H CH 2 CH 2 CH 2 COOH CONH 2 CH 2 CONH 2

20 Ionisierbare Gruppen In Polypeptidketten ist der pk a -Wert der Aminosäureseitenketten relevant. Am N- bzw. am C- Terminus sind natürlich auch die basische Aminogruppe und die saure Carboxylgruppe relevant.

21 Die Kurzschreibweise der AS

22 Primärstruktur: Peptidbindungen verknüpfen die AS zu Polypeptidketten Die Amidgruppe entsteht durch Kondensation der Aminogruppe einer -Aminosäure mit der Carboxylgruppe einer andern.

23 Umsetzung von Aminen mit Carbonsäuren zu Carbonsäureamiden Diese Reaktion ist der Bildung von Carbonsäureestern aus Carbonsäuren und Alkoholen sehr ähnlich. Wegen der Säure-Base Reaktion der Aminogruppe, die natürlich spontan stattfindet, läuft die Bildung der Amide nur sehr langsam ab; zudem muss noch das Wasser aus dem Gleichgewicht entfernt werden (wie bei der Bildung von Estern). In der Biochemie ist die Bildung von Amiden ein absolut essentieller Vorgang bei der Proteinsynthese. Da diese sehr schnell ablaufen muss, wird die Carboxygruppe in eine viel reaktivere Form überführt (Aminoacyl- AMP), die dann in einer exothermen Reaktion zu Amiden umgesetzt wird.

24 Biochemische Umsetzung von zwei Aminosäuren zu einem Dipeptid R H + ATP H 3 N C OAMP + PP i O R H H + N H 3 N C O C OH O H R' + AMP

25 Biochemische Umsetzung von zwei Aminosäuren zu einem Dipeptid ATP ein Aminoacyl-AMP

26 Aminosäuresequenzen haben eine Richtung: Beispiel Pentapeptid

27 Doppelbindungscharakter der Peptidbindung

28 daher liegen alle Atome zwischen den beiden -C-Atome in einer Ebene

29 Übung Aminosäuren 1. Zeichnen und beschriften Sie die stereochemische Struktur von L- Threonin. Geben Sie an, ob R- oder S-Konfiguration vorliegt. 2. Das Tripeptid Glutathion ( -Glu-Cys-Gly) übernimmt in vielen Organismen eine Schutzfunktion, indem es toxische Peroxide abbaut, die während des oxidativen Stoffwechsels erzeugt werden. Zeichnen Sie die chemische Strukturformel von Glutathion. Beachten Sie dabei: das Symbol weist darauf hin, dass die Peptidbindung zwischen Glu und Cys zwischen der - Carboxylgruppe von Glu und der Aminogruppe von Cys besteht. 3. Alle L-Aminosäuren verfügen über eine absolute S-Konfiguration. Die einzige Ausnahme macht L-Cystein, das in R-Konfiguration vorliegt. Erklärung!

30 Sekundärstrukuren Polypetidketten können sich zu regelmässigen Strukturen wie -Helix, -Faltblatt, Kehren und Schleifen falten

31 -Helix In einer -Helix (Linus Pauling, 1951) windet sich die Polypeptidkette in einer rechts drehenden Spirale auf der Ebene eines virtuellen Zylinders. Dabei hat eine Windung die Länge von 0.54 nm und pro Windung sind 3.6 Aminosäuren untergebracht. Diese Strukturen werden durch H-Brücken zwischen den NH- und den CO-Gruppen der Polypeptidkette zusammengehalten, wobei die H-Brücken auf der Ebene des virtuellen Zylinders liegen und ungefähr parallel zur Längsachse der Helix ausgerichtet sind. Durch die Torsion der Polypeptidkette entlang der Helix kommen die Aminosäureseitenketten nach aussen zu liegen. Im Innern der Helix kommen sich die Atome der Polypeptidkette auf van der Waals-Radien nahe. Die mittlere Länge einer -Helix beträgt 3-4 Windungen.

32 Struktur der -Helix

33 Wasserstoffbrücken der -Helix Übereinanderliegende Atome in einer -Helix, die über H-Brücken zusammengehalten werden Eine -Helix bestehend aus 3-4 Windungen wird durch ungefähr 10 H Brücken zusammengehalten (entspricht in etwa der Stärke einer C-C Bindung)

34 Schematische Darstellung der -Helix

35 Myoglobin aus -Helices und random coil aufgebautes Polypetid (Tertiärstruktur = räumliche Auffaltung der Sekundärstrukturen

36 Struktur eines -Stranges Die Seitenketten (grün) liegen abwechselnd ober- und unterhalb des Stranges

37 Antiparalleles -Faltblatt Wie in -Helix auch hier H-Brücken nur zwischen Atomen, die an Peptidbindung beteiligt sind

38 Paralleles -Faltblatt

39 Schematische Darstellung von - Strängen In schematischen Darstellungen werden -Stränge in der Regel als breite Pfeile gezeichnet, die in Richtung des carboxyterminalen Ende weisen, um den Typ des gebildeten Faltblatts - parallel oder antiparallel - deutlich zu machen

40 Ein Protein, das mehrheitlich aus einem -Faltblatt besteht

41 Kehren und Schleifen Die meisten Proteine haben eine kompakte globuläre Gestalt, was häufige Richtungsänderungen im Verlauf ihrer Polypeptidketten voraussetzt. Viele dieser Richtungswechsel kommen durch ein allgemeines Strukturprinzip zustande: eine so genannte ( -)Kehre oder Haarnadelkehre (reverse, bzw. -turn oder hairpin bend). Bei vielen dieser Kehren ist die CO-Gruppe eines Restes i innerhalb des Polypeptids über eine Wasserstoffbrücke mit der NH-Gruppe des Restes i + 3 verknüpft

42 Struktur einer Kehre

43 Tertiärstruktur eines Polypetids Anordnung der Sekundärstrukturen im Raum zu einem komplexen Gebilde Welche Kräfte spielen dabei eine Rolle? Hydrophober Effekt Schwefelbrücken Salzbrücken Wasserstoffbrücken

44 Verteilung der AS in Myoglobin Oberfläche Querschnitt Gelb: Hydrophobe Aminosäuren Blau: Hydrophile Aminosäuren

45 Umgestülpte AS Verteilung im Porin

46 Quervernetzung durch Schwefelbrücken Die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinresten ist eine Oxidationsreaktion

47 Stabilisierung der Tertiär- und Quartärstruktur in Rinderinsulin

48 Quartärstruktur Anordnung getrennter Polypetidketten (Untereinheiten eines Proteins) zu einem funktionellen Protein Das Cro-Protein (DNA-bindend) des Bakteriophagen ist ein Dimer

49 Das 2 2 -Tetramer des menschlichen Hämoglobins

50 Komplexe Quartärstruktur Die Hülle des Rhinovirus besteht aus je 60 Kopien von vier verschiedenen Untereinheiten. Nebenan eine schematische Darstellung, in der die drei Untereinheiten (rot, blau, grün) wiedergegeben sind, die an der Aussenseite des Virus sichtbar sind.

51 Die Aminosäuresequenz eines Proteins legt dessen dreidimesionale Struktur fest Experimente mit Rinder-Ribonuklease Ein einzelner Polypetidstrang mit vier Disulfidbrücken

52 Reduktion der Disulfidbrücken mit Mercaptoethanol

53 ...und Denaturierung mit Harnstoff Harnstoff vermag nicht-kovalente Verbindungen äusserst wirksam zu zerstören

54 Sequenz bestimmt Struktur Die denaturierte und mittels Dialyse von Harnstoff und Mercaptoethanol befreite Ribonuklease hat ihre enzymatische Aktivität allmählich wiedergewonnen. Sequenz bestimmt Struktur Anderes Resultat, wenn man reoxidiert ohne den Harnstoff zu entfernen: Die Disulfidbrücken werden falsch gebildet (105 Möglichkeiten vier Disulfidbrücken zu bilden aus 8 Cysteinen)

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