Proteine: Dreidimensionale Struktur

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1 Proteine: Dreidimensionale Struktur 1. Sekundärstruktur A. Die Peptidgruppe B. Reguläre Sekundärstrukktur: α-helix und β-faltblatt C. Faserproteine D. Nichtrepetitive Proteinstruktur 2. Tertiärstruktur A. Bestimmen von Proteinstrukturen B. Seitenketten Lokalisation und Polarität C. Supersekundärstruktur und Domänen D. Proteinfamilien 3. Quartärstrukutr und Symmetrie 4. Proteinstabilität A. Kräfte die Proteinstruktur stabilisieren B. Proteindynamik C. Protein Denaturierung und Renaturierung 5. Proteinfaltung A. Proteinfaltungswege B. Proteindisulfid-Isomerase C. Molekulare Chaperone D. Krankheiten verursacht durch falsche Proteinfaltung 6. Strukturelle Bioinformatik Myoglobin 1

2 - Eigenschaften eines Proteins werden durch seine drei- dimensionale Struktur bestimmt - Proteine sind aus 20 Aminosäuren (AS) aufgebaut Durchschnittliche Proteine haben eine ähnliche AS Zusammensetzung - Denaturierte (ungefaltete) Proteine können ähnliche Charakteristika haben - Native (gefaltete) Proteine sind sehr verschieden voneinander, Struktur ist beeinflusst von Primär- sequenz. Die Stufen der Proteinstruktur 2

3 1. Sekundärstruktur Lernziele: 1) Verstehen dass der planare Charakter der Peptidbindung die konformationelle Flexibilität einer Polypeptidkette limitiert. 2) Familiarisieren mit der α Helix und dem β Faltblatt 3) Verstehen der Strukturen der Fibrösen Proteine α Keratin und Kollagen. Sekundärstruktur = lokale Gerüstkonformation Faltmuster = Helices, Faltblatt, Windungen Faltmuster sind die Konsequenz der geometrischen Eigenschaften der Peptidgruppen 3

4 A. Peptidgruppen O C N H O C + N H Resonanzstabilisierung Peptidgruppe = starre planare Struktur trans Konformation 4

5 nur möglich wenn R klein nm Polypeptidkette in gestreckter Konformation muss klein sein sonst gestreckte konformation nicht möglich Schattierung = planare Peptidgruppe 5

6 - Proteingerüst = sequentielle Verknüpfung von Peptidgruppen - Gerüstkonformation durch Torsionswinkel bestimmt Torsionswinkel ist definiert relativ zu Cα-C-N - Seitenketten bestimmen Elektronenabstoßung und somit die Energiebarriere für Rotation 180 zylindrisch symmetrisch 180 gestaffelt ekliptisch Erlaubte Konformationen der Polypeptide interatomarer Abstand nicht bindender Atome (IA) ψ φ Konformation erlaubt wenn: IA > vdw (φ = -60, ψ = 30 nicht erlaubt) van-der-waals Abstand (vdw) Konformationskarte (Ramachandran-Diagramm) enthält Information über erlaubte Torsionwinkel eines Peptides 6

7 Ramachandran-Diagramm für poly-l-alanin Kollagen Röntgenstrukturanalyse B. Reguläre Sekundärstrukktur: α-helix und β-faltblatt ß-Faltblatt α-helices erlaubte Torsionswinkel grenz Torsionswinkel verbotene Region Konformation möglich durch Elastizität der Peptidbindung Ramachandran-Diagramm von Gly-Resten COO- H-C-H NH3+ - Gly hat kein Cβ, ist deshalb sterisch weniger eingeschränkt mehr Konformationen möglich Gly an scharfen Biegungen des Polypeptidgerüstes erlaubte Torsionswinkel grenz Torsionswinkel - Pro Seitenkette cyclisch was zu geringen Torsionswinkeln führt sterisch am meisten einge- schränkter Aminosäurerest CH2-00C CH2 C CH2 H NH 7

8 Die α-helix 3 4 Die α-helix ist die einzige helicale Konformation von Polypeptidketten die erlaubte Torsionswinkel und stabilisierende H-Brücken hat. Sie ist eine starre Anordnung. C=O Gruppe des n ten restes auf N-H Gruppe des (n+4)ten Restes 2 1 n L-α-AS Polypeptid rechtshändige α-helix φ=-57, ψ=-47, n=3.6, p=0.54nm D-α-AS Polypeptid linkshändige α-helix φ=+57, ψ=+47, n=-3.6, p=0.54nm Seitenketten entgegen Helixrichtung nach aussen gerichtet Vermeidung sterischer Behinderungen Bei linksgängiger α-helix ist dies schlechter ungünstige Konfomation α-helix ist häufig auftretendes Sekundärstrukturelement von Faserund globulären Proteinen In globuläten proteinen α-helices durchschnittlich 11 Reste oder ca. 3 Windungen Sauerstoff (O) Kohlenstoff (C) Stickstoff (N) Wasserstoff (H) Seitenketten (R) Stereodarstellung α-helicales Segment von Pottwal-Myoglobin 8

9 β-faltblätter - H-Brücken zwischen verschiedenen Polypeptidketten - 2 Varianten: β-faltblätter - in globulären Proteinen 2-15 Polypeptidstränge Seitenketten nicht eingezeichnet! H-Brücken verzerrt instabiler U Ketten nicht planar sondern gewellt (Torsionswinkel nicht 180 ) gefaltetes Erscheinnungsbild O U 2 strängiges antiparalleles Faltblatt wie es in Concanavalin A vorkommt. Die Seitenketten weisen alternierend zur Oberbzw. Unterseite O U O 9

10 6 strängigen antiparallelen β Faltblattes von Concanavalin A Rechtsgängige Drehung des β Faltblattes AS-Reste Wechselwirkungen verzerren der H-Brücken Krümmung des β Faltblattes Geometrie = Kompromiss zwischen Optimierung der Komformations- energie der Polypeptidketten und Erhaltung der H-Brücken Carboxypeptidase A sattelartige Oberfläche Faltblätter sind oft durch Helices ver- bunden und bilden Kernregion von globulären Proteinen Triosephosphatisomerase Fass Aufsicht Seitenansicht 10

11 Topologie = räumliche Verknüpfung von Polypeptidketten Schleife in Blatt- ebene rechtsgängige Quer- verbindung C. Faserproteine - lange Moleküle deren Sekundärstruktur Strukturmotive dominiert - dienen als Strukturmatrix in Organismen und haben eine schützende, verbindende oder tragende Funktion (Haut, Sehnen, Knochen) - können auch bewegende Funktionen haben wie im Muskel oder in Cilien. Struktur-Funktionsbeziehungen werden an folgenden Beispielen erläutert: Keratin Seidenfibroin Kollagen Elastin Faserproteine kristallisieren selten, assoziieren zu Fasern (weniger geordnet als Kristalle) Röntgenstruktur nur wenige verschwommene ge- schwärtzte Stellen, wenig strukturelle Information Röntgenstruktur einer Seidenfaser 11

12 Fibriläre Proteine sind charakterisiert dadurch dass sie nur einen typ von Sekundärstrukur aufweisen α-keratin - Eine Helix aus Helices Keratin = -reaktionsträges Protein -Hauptbestandteil der epidermalen Hornschicht und Anhangsgebilde (Haar, Horn, Nägel, Federn) 20 µm Säuger Vögel α-keratin β-keratin Hierarchisch gegliederter Aufbau: Beispiel Haar (α-keratin) aus abgestorbenen Zellen gefüllt mit Makrofibrillen (200 nm Durchmesser) Makrofibrillen sind wiederum aus Mikrofibrillen (8 nm Durchmesser) aufgebaut. - Repetitive Struktur von a-g a und d = unpolare Reste α-helix 3.6 Reste pro Windung a und d auf gleicher Seite apolarer Streifen Anlagerung von 2 Helices möglich führt zu 3.5 Reste pro Windung was ein gegenseitiges Verdrehen der Helices bewirkt und die Dimerisierung zusätzlich stabilisiert Keratin viel Cys, SH Gruppen bilden Disulfid-Bindungen zwischen Helices und Filamenten deshalb ist Keratin Wasserunlöslich und sehr reissfest, unverdaulich. hartes Keratin viel Cys (Haar, Horn) weiches Keratin wenig Cys (Haut) Mercaptane lösen S-S Brücken Keratin wird weich, oxidation neue Kombination von S-S Brücken = Prinzip der Dauerwelle im Haar Motten verdauen Haar, da Mercaptane in Verdauung 12

13 α-helices umschlingen einander parallel zu einem linksgängigen coiled coil 2 nm 2 versetzte antiparallele Reihen von coiled coils 8 nm Seidenfibroin - eine β-faltblattstruktur Insekten und Arachniden produzieren Seide die aus Faserprotein Fibroin und Kokons Sericin besteht. Cocoonase verdaut Sericin Falter können schlüpfen Für Tuchseide wird Sericin mit Seifenlösung entfernt, nur Fibroin bleibt. Struktur von Seide: - antiparallele β-faltblätter, wobei Ketten parallel zu Faserachse - Hexamer Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala - Schichten Gly und Ala auf entgegengesetzten Seiten - Seide fest aber wenig dehnbar, biegsam wegen van derwaals Kräften - Sperrige Reste (Tyr,Val, Arg, Asp) verzerren Anordnung, mehr Dehnbarkeit aber geringere Elastizität 13

14 Kollagen - ein tripelhelicales Kabel Kollagen = extrazelluläres Protein aus unlöslichen Fasern, mechanisch beanspruchbare Komponente des Bindegewebes von Knochen, Sehnen und Bändern. Verschiedene Polypeptidketten genetisch codiert. Aminosäuresequenz Hydroxyprolin aus Prolin Rest mit ProlylHydroxylase (Vit C abhängig) Zusätzliche Stabilität durch intramolekulare H-Brücken Skorbut= Vit C Mangel weniger Hyp verschlechterte Kollagenstabilität Hydroxylysin wird auch in Kollagen gefunden Polyprolin Kollagen Tripelhelix dicht gepackt nur Gly hat Platz Triebkraft für Ausbildung von Tripelhelix sind hydrophobe Wechselwirkungen Starre tripelhelixstruktur für Zugfestigkeit verantwortlich Gegenläufige Verdrillung führt zum besseren Auffangen von Zugkräften Querschnitt linsgängige Helix rechtsgängige Superhelix 14

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16 Seitenansicht Kollagenstruktur Aufsicht Kollagen-Fibrillen sind kovalent miteinander vernetzt 2 Seitenketten verknüpft 3 Seitenketten verknüpft 4 Seitenketten verknüpft oxidative Desaminierung, Aldehyde entstehen Aldolkondensation Nicht Disulfidbindungen wie bei Keratin sondern Lys und His Seitenketten werden verknüpft Verknüpfungen sind gehäuft an N- bzw. C- Termini der Kollagen Moleküle β Aminopropionitril (in Samen von Lathyrus odoratus) inaktiviert Lysyl-Oxidase reduzierte Vernetzung Lathyrismus Verknüpfungsgrad ist: - abhängig von Gewebe - erhöht sich mit dem Alter - genet. Defekte Überdehnbarkeit von Gelenken und Haut (Marfan- und Ehelrs- Danlos- Syndrom. Fragile Knochen Osteogenesis imperfecta. 16

17 D. Nichtrepetitive Proteinstrukturen - Knäuel- oder Schleifenstrukturen - abrupte Richtungsänderungen (z.b. atiparalleles β Faltblatt) β-schleifen - definieren oft Oberfläche eines Proteins geht am besten wenn H Gly H-Brücken oft Pro 17

18 Grosse Schleifen die nicht Teil einer Helix- oder Faltbalttstruktur sind und End zu End Abstand < 1nm = Ω - Schleifen Können Rückbiegungen enthalten, sind kompkte globuläre Einheiten, Seitenketten ragen in inneren Hohlraum könnten Rolle bei biologischen Erkennungsprozessen spielen Ungeordnete Regionen in Proteinen oft geladene Oberflächengruppen wie Lys oder N- bzw. C- Termini solche Regionen flexibel können durch Binden von Molekülen geordnet werden Funktionsübertragung 18