Strukturbildende Kräfte in Proteinen

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1 Strukturbildende Kräfte in roteinen The physical nature of the noncovalent interactions betweeen atoms are understood fairly well for individual molecules in a vacuum and a regular solid, but not in liquids (T.E. Creighton)

2 Strukturbildende Kräfte in roteinen Kovalente Bindungen Nichtkovalente Wechselwirkungen - Abstoßungskräfte (short range repulsion) - Elektrostatische Wechselwirkung punktförmige Ladungen Dipole - van der Waals Wechselwirkungen (dispersion forces) - Wasserstoffbrücken - hydrophobe Wechselwirkungen, Entropie Intramolekulare Wechselwirkungen und Kooperativität

3 Kovalente Bindungen - das eptidrückgrat eptidbindung planar, partieller Doppelbindungscharakter Dipol: zu 40% geladen, +/- 0.4 ε roteinfaltung von unendlich vielen denaturierten Konformationen zu einer Struktur => entropisch sehr ungünstig (ds conf ) => Wechselwirkungen müssen Entropieverlust kompensieren

4 Abstoßende Kräfte (short range repulsions) Atome können sich nur soweit annähern bis ihre Orbitale überlappen => Energie steigt exponentiell mit abnehmender Distanz - Atome üblicherweise als Kugeln modelliert Kugelvolumen definiert über van der Waals Radius (Minimalgröße eines Atoms/Moleküls) - Komplexe Oberflächen: Konzept der accessible surface area -> Oberfläche, die mit Lösungmittel in Kontakt kommt Lennard Jones otential: abstandsabhängige Wechselwirkungsenergie von Atomen Interaction energy (kcal/mol) Distance between centers of atoms (A)

5 Dispersionskräfte Van der Waals Wechselwirkungen - zwischen permanenten Dipolen - zwischen permanentem und induziertem Dipol - zwischen induzierten Dipolen (Dispersionskräfte) Dispersionskräfte fluktuierende Elektronenwolke um Atomkern => fluktuierendes Dipolmoment -> induziert Dipol im Nachbaratom optimale van der Waals Ww.: Å größer als die Summe der beiden v.d.w.radien Å größer als kovalente Bindung kcal/mol Interaction energy (kcal/mol) ~ 1/d 12 ~ 1/d 6 Distance between centers of atoms (A)

6 Elektrostatische Wechselwirkungen Für unktladungen im Vakuum Z, Anzahl der Ladungen ε, Ladung eines Elektrons r, Abstand ΔE, rel. Energie i.v. zu weit entfernten Ladungen D, Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels Ww. Von Na + und Cl - (perfekter Abstand 2.76 Å): 2 x cal -> 120 kcal/mol Für unktladungen in Lösungsmittel D( 2 O) = 80 C 2 J -1 m -1 D(roteinoberfläche) = 4-8

7 Elektrostatische Wechselwirkungen - Dipole Dipolmoment eptidbindung: µ = 3.5 D µ D = Zd Z, Ladung d, Abstand µ D = 4.8 Debye (D) für eine positive und nagetive Ladung im Abstand von 1 Å Aromaten (Trp, Tyr,he, Nukleotide) π-elektronen in Ringsystemen -0.15ε Wasserstoffatome in Aromaten entsprechend positiv => elektrostatische Ww. von Aromaten, die senkrecht zueinander stehen (häufig in Nukleotidbindungsmotiven) Debye: 1 D = 3.34 x C m

8 Wasserstoffbrücken Elektrostatische Ww. zwischen Dipol einer kovalenten Bindung und Wasserstoffatom In niedermolekularen Substanzen häufig in roteinen Energien: 2-10 kcal/mol Länge: Å ( O)

9 Wasserstoffbrücken - α-elix -Brücken innerhalb der α-elix zwischen C=O und N- der eptidbindungen i -> i+4 beachte: - diese -Brücken berücksichtigen nicht die Seitenketten - verschiedene Aminosäuren sind als helix formers und helix breakers bekannt

10 ydrophobe Wechselwirkung, Entropie Sehr geringe Ww. unpolarer Moleküle mit Wasser (keine -Brücken) => enthalpische Ww. zwischen unpolaren Molekülen relevant (v.d.w Ww.) ydrophobe Moleküle induzieren Strukturen im wässrigen Lösungsmittel => iceberg Strukturen (Clathrate) im Wasser => Entropieverlust Methan in Wasser 3x plus freies Wasser Zusammenlagerung hydrophober Substanzen => geringere Oberfläche => weniger Wasser in iceberg Strukturen fixiert i.v. zu isolierten hydrophoben Substanzen => Entropiegewinn enthalpische und entropische Anteile der hydrophoben Ww. stark temperaturabhängig => Energie der hydrophoben Ww. nimmt ab mit sinkender Temperatur, nimmt zu mit steigender Temperatur (im Gegensatz zu allen anderen enthalpischen Ww.) => molekulare Ursache für Kältedenaturierung von roteinen

11 ydrophobizität von Aminosäuren dominanter Faktor der ydrophobizität ist Solvatation der Substanz => ydrphobizität der Aminosäuren direkt abhängig von ihrer Oberfläche

12 ydrophobes Moment analog zum Dipolmoment, entspricht Vektor von hydrophilen zu hydrophoben Teilen z.b. einer Struktur z.b. amphiphile elix: Sequenz: WTKLQSLDTALRRARSAA hydrophob hydrophil

13 Kooperativität - Effektive Konzentrationen bei intramolekuklaren Wechselwirkungen Effektive Konzentration ergeben sich aus Vergleich von intra- und bimolekularen Reaktionen Effektive Konzentrationen für intramolekulare Reaktionen: M

14 Effektive Konzentrationen bei intramolekularen Wechselwirkungen Ionische und hydrophobe Ww. in roteinen c eff ca M Disulfidreaktionen: DTT red + Glutathion ox -> DTT ox + Glutathion red DTT c eff = 200 M Effektive Konzentrationen von Cysteinen in roteinen strukturbedingt bis zu 10 5 M

15 Kooperativität multipler Interaktionen K net i K i C eff i Number of simultaneous interactions

16 Kooperativität - ydrophobes Moment analog zum Dipolmoment, aber entspricht Vektor von hydrophilen zu hydrophoben Teilen z.b. einer Struktur z.b. amphiphile elix: Sequenz: WTKLQSLDTALRRARSAA hydrophob hydrophil

17 14-mer Sequenz: Einfaches Muster - binary pattern Optimale Faltung Falsche Faltungen (7 hydrophobe Kontakte) (4 hydrophobe Kontakte) (4 hydrophobe Kontakte)

18 Einfaches Muster - binary pattern Einfaches Muster hydrophob / polar ( binäres Muster ) determiniert bereits einen wesentlichen Teil der low-resolution -Information der roteinfaltung. Die treibende Kraft der Faltung von der entfalteten Kette zum globulären rotein ist das Verstecken der hydrophoben Gruppen! Achtung: dieser Effekt ist vergleichsweise unspezifisch! Vorwiegender Effekt des binären Musters ist die Induktion von periodischen Sekundärstrukturelementen. Datenbankanalysen: dominantes binäres Motiv in elices sind und Das analoge Muster ( oder ) kann jedoch statistisch signifikant nicht bei β-sheets gefunden werden.

19 Spezifische Strukturbildung bei roteinen - komplementäre ackung - Komplementäre ackung maximiert die hydrophoben Kontakte im roteinkern ( hydrophober Effekt) ackungsdichte in roteinen: 0.6 bis 0.82 (im Bereich der idealen ackungsdichte); d.h., roteinkerne sind sehr gut gepackt ackung trägt wesentlich zur Spezifität der Ausbildung einer dezidierten Struktur eines roteins bei (Teil der high-resolution information der roteinfaltung) Generierung von Kavitäten (Löchern) im roteinkern ist im allgemeinen nachteilig, da die hydrophobe ackung aufgehoben wird (Eindringen von Wassermolekülen) Kleine Unterschiede in der ackung können wesentliche Konformationsunterschiede bewirken: z. B. Austausch Leu Ile in künstlichen coiled-coil-roteinen bestimmt, ob ein Dimer, ein Trimer, oder ein Tetramer gebildet wird

20 Zusammenfassung - treibende Kräfte der roteinfaltung - Denaturierter Zustand Sonstige stabilisierende Effekte ΔG (50 kj/mol) ( kleine Differenz großer Zahlen ) ydrophobe Ww., ackungsdichte maximiert Ww. Entropischer Effekt (S konf ) Sonstige destabilisierende Effekte Nativer Zustand

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