Nanotechnologie der Biomoleküle. Aminosäuren und Proteine: Bausteine der Biologie und der Bionanotechnologie. Aufbau Struktur Funktion

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1 anotechnologie der Biomoleküle Aminosäuren und Proteine: Bausteine der Biologie und der Bionanotechnologie Aufbau Struktur Funktion Zentrum für Mikro- und anotechnologien

2 Das Miller-Urey-Experiment (auch Urey-Miller-Experiment oder Miller- Experiment) dient der Bestätigung der ypothese, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre eine Entstehung organischer Moleküle, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, möglich ist. Stanley Miller simulierte 1953 zusammen mit arold layton Urey im Labor der University of hicago eine hypothetische frühe Erdatmosphäre. Das Experiment beschrieb er in seiner Veröffentlichung: erstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen einer einfachen Erde. Im Miller-Urey-Experiment mischt man einfache chemische Substanzen einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre Wasser ( 2 ), Methan ( 4 ), Ammoniak ( 3 ) und Wasserstoff ( 2 ) und setzt diese Mischung elektrischen Entladungen aus, welche die Energiezufuhr durch Gewitterblitze nachbilden sollen. Dabei entstehen nach einer gewissen Zeit organische Moleküle. Die Analyse des entstehenden Molekülgemisches wurde mittels hromatographie durchgeführt. Zentrum für Mikro- und anotechnologien

3 Zentrum für Mikro- und anotechnologien

4 Zunächst entstehen aus den Ausgangsstoffen Aldehyde (R-) und Blausäure (yanwasserstoff ) als erste Zwischenprodukte. In einer darauf folgenden Mehrstufenreaktion reagieren die Aldehyde mit Ammoniak als Katalysator zu Aminosäuren: R R- So entsteht aus dem Aldehyd Methanal ( 2 =) die Aminosäure Glycin, aus Ethanal ( 3 -) entsteht Alanin. R R- + 3 Aus Methanal entsteht die Glykolsäure (α-ydroxy-ethansäure), aus Ethanal die Milchsäure (α-ydroxy-propansäure) und aus Propanal ( 3-2 -) die α-ydroxybuttersäure. Zentrum für Mikro- und anotechnologien

5 Proteine Proteine sind die eigentlichen "Arbeitstiere" der Zelle. Beispiele: Enzyme, Strukturproteine, Regulatoren der Genexpression Viele Proteine bestehen aus 20 Aminosäuren (= proteinogene AS) alle enthalten: 1 Aminogruppe 1 arboxylgruppe Zentrum für Mikro- und anotechnologien

6 Proteine Zentrum für Mikro- und anotechnologien

7 Einheit und Gewichte von Proteinen - Standard Einheit eines Proteins: kda (kilo Dalton) - 1 Wasserstoffatom entspricht 1 Da - 1 Kohlenstoffatom entspricht 12 Da - Durchschnittliches Gewicht einer Aminosäure 110 Da - ein Polypeptidschwanz besteht aus etwa 1000 Aminosäuren wiegt ungefähr Da (110 kda) Zentrum für Mikro- und anotechnologien

8 Zentrum für Mikro- und anotechnologien

9 Primärstruktur: Aminosäuren hemischer Aufbau von Aminosäuren: 3+ - Aminogruppe R α arboxylgruppe Zentrum für Mikro- und anotechnologien

10 Aminosäuren R kann sehr unterschiedlich sein: hydrophob A, L, I, V, M,, W, F, P hydrophil D, E, K, R, groß W, R klein G, A, S sauer D, E basisch K, R, aromatisch W, F, Y polar S, T, Y,, Q Zentrum für Mikro- und anotechnologien

11 Aminosäuren A Alanin M Methionin ystein Asparagin D Asparaginsäure P Prolin E Glutaminsäure Q Glutamin F Phenylalanin R Arginin G Glycin S Serin istidin T Threonin I Isoleucin V Valin K Lysin W Tryptophan L Leucin Y Tyrosin Zentrum für Mikro- und anotechnologien

12 Verknüpfung von Aminosäuren 2 R R Zentrum für Mikro- und anotechnologien

13 Verknüpfung von Aminosäuren Die Peptidbindung liegt in einer Ebene, sie hat partiellen Doppelbindungscharakter. Freie Drehbarkeit ist nur um die -Atome möglich! Zentrum für Mikro- und anotechnologien

14 Verknüpfung von Aminosäuren Kondensations Reaktion (kovalente Bindung) Zentrum für Mikro- und anotechnologien

15 Peptid-Rückrad Polypeptidschwanz Überrest Ein kurzer Polypeptidschwanz wird kurz als Peptid bezeichnet Zentrum für Mikro- und anotechnologien

16 Polypeptidschwänze besitzen eine rientierung Zentrum für Mikro- und anotechnologien

17 rganische Strukturen Zentrum für Mikro- und anotechnologien

18 Struktur von Proteinen Primärstruktur Sequenz (Abfolge) der Aminosäuren eines Proteins Sekundärstruktur Faltung einer Polypeptidkette Tertiärstruktur Faltung in komplexe, dreidimensionale Strukturen Quartärstruktur rganisation mehrerer Proteine in einem Komplex höherer rdnung Zentrum für Mikro- und anotechnologien

19 Struktur von Proteinen Es gibt drei besonders wichtige Sekundärstrukturen: α-elix: Das -Atom der arboxylgruppe in der Polypeptidkette geht eine -Brückenbindung mit dem der Aminogruppe der 4. folgenden Aminosäure ein (daher: 3.6 AS pro Drehung). β-faltblatt: -Brücken verlaufen zwischen zwei benachbarten Polypeptidketten. Loops and turns Zentrum für Mikro- und anotechnologien

20 Linus Pauling & Robert orey Gründer der Forschung an biologischen Strukturen Begin der Forschung an Proteinen nach erste Voraussagen zur Existenz der α-elix & β-faltfäche Zentrum für Mikro- und anotechnologien

21 Sekundärstrukturen von Proteinen α-elix: Das Rückgrat der elix beschreibt eine schraubenartige Windung. Die Geometrie der elix ist durch -Brücken stark stabilisiert. Die Seitenketten zeigen vom Zylinder nach außen. Zentrum für Mikro- und anotechnologien

22 α-elix: Sekundärstruktur von Proteinen "Rückgrat" Zentrum für Mikro- und anotechnologien

23 Sekundärstruktur von Proteinen [4] [1] [3] [5] [2] "Rückgrat" einzelne AS [7] [6] Zentrum für Mikro- und anotechnologien

24 [7] Sekundärstruktur von Proteinen [4] [1] [3] [5] [2] [6] "Rückgrat" + Zentrum für Mikro- und anotechnologien

25 Sekundärstruktur von Proteinen [7] [4] [1] [3] [2] [5] [6] "Rückgrat" + + Zentrum für Mikro- und anotechnologien

26 Sekundärstruktur von Proteinen [7] [4] [1] [3] [2] [5] [6] "Rückgrat" Brücken Zentrum für Mikro- und anotechnologien

27 [4] [7] Sekundärstruktur von Proteinen R [1] R [3] R R R R [2] [5] R [6] "Rückgrat" Brücken + Reste Zentrum für Mikro- und anotechnologien

28 Warum bildet sich eine α-elix? Pauling und orey zeigten, dass die Struktur durch Wasserstoff-Bindungen stabilisiert werden Zentrum für Mikro- und anotechnologien

29 Wasserstoff-Brückenbindungen Wasserstoff-Bindungen sind instabil im Vergleich zu kovalenten Bindungen ~1-3 kcal/mol - ~100 kcal/mol Zentrum für Mikro- und anotechnologien

30 Wasserstoff-Brückenbindungen Jedes Wasserstoff-Ende einer Aminosäure bindet an ein Sauerstoffatom, welches vier Aminosäuren weit entfernt ist. Zentrum für Mikro- und anotechnologien

31 Sekundästruktur: α-elix 3.6 Aminosäuren/Umfang Zentrum für Mikro- und anotechnologien

32 ß-Faltblatt im zick-zack verlaufende Kette mind. 2 derartige Ketten liegen nebeneinander und zwischen ihnen verlaufen -Brücken die Reste ragen aus der dadurch gebildeten Ebene nach oben und unten Zentrum für Mikro- und anotechnologien

33 ß-Faltblatt "Rückgrat" Zentrum für Mikro- und anotechnologien

34 ß-Faltblatt "Rückgrat" Zentrum für Mikro- und anotechnologien

35 ß-Faltblatt "Rückgrat" + Zentrum für Mikro- und anotechnologien

36 ß-Faltblatt "Rückgrat" +, + Zentrum für Mikro- und anotechnologien

37 ß-Faltblatt "Rückgrat" +, + + -Brücken Zentrum für Mikro- und anotechnologien

38 Sekundärstruktur von Proteinen β-faltblatt: R R R R Seitenansicht Zentrum für Mikro- und anotechnologien

39 Sekundärstruktur: ß-Faltblatt Zentrum für Mikro- und anotechnologien

40 Sekundärstruktur: Loops & Turns α-elix und ß-Faltblatt sind lineare Strukturen Was passiert wenn ein Polypeptid eine Krümmung benötigt: Loops and Turns! Loops haben keine regulären Strukturen Grün Fluoreszierendes Protein (GFP) Zentrum für Mikro- und anotechnologien

41 Tertiärstruktur Tertiärstruktur eines Proteins ydrophile Proteine finden sich in wässrigen ytoplasmen ydrophobe Proteine sind in Zellmembranen eingebettet Die Aussenseite eines Proteins ist hydrophob oder hydrophil Die Kräfte, die tertiäre Strukturen zusammen halten günden sich auf: Wasserstoff-Bindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkung, Van der Waals Kräfte, hydrophobe Wechselwirkung und Disulfid-Bindung Zentrum für Mikro- und anotechnologien

42 Stabilisierung der Ternärstruktur von Proteinen Zentrum für Mikro- und anotechnologien

43 Krankheiten durch fehlerhafte Proteinfaltung Prionen: -BSE -KURU - reutzfeld-jacob - Alzheimers -Parkinson Zentrum für Mikro- und anotechnologien

44 Disulfid-Bindung Zentrum für Mikro- und anotechnologien

45 Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung Keratin im aar Zentrum für Mikro- und anotechnologien

46 Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung Keratin (aar) Zentrum für Mikro- und anotechnologien

47 Kanalproteine 2 Membran Zentrum für Mikro- und anotechnologien

48 Kanalproteine Mehrere α-elices können sich zusammenlagern: hydrophobe Außenseite (eingebettet in die Membran) hydrophiles Zentrum Zentrum für Mikro- und anotechnologien

49 Tertiärstruktur Intaktes Molekül Schnitt durch Molekül = geladen = hydrophob Zentrum für Mikro- und anotechnologien

50 Porin, Kanalprotein Porin, ein Membran- Protein = geladen = hydrophob Zentrum für Mikro- und anotechnologien

51 Porin: anoventil in Zellmembran für Wasser Alternierende Folge von polaren und unpolaren Aminosäuren Zentrum für Mikro- und anotechnologien

52 Porin: anoventil in Zellmembran für Wasser Zentrum für Mikro- und anotechnologien

53 Porin: anoventil in Zellmembran für Wasser Zentrum für Mikro- und anotechnologien

54 Quartärstruktur Einige Proteine haben mehrere Untereinheiten Anzahl der Untereinheiten variiert Untereinheiten können identisch oder verschieden sein Zentrum für Mikro- und anotechnologien

55 Quartärstruktur emoglobin: 64.5 kda Besteht aus 2 α and 2 β Untereinheiten Zentrum für Mikro- und anotechnologien

56 Quartärstruktur Zentrum für Mikro- und anotechnologien

57 Quartärstruktur Kristall aus Myoglobin Zentrum für Mikro- und anotechnologien

58 Strukturaufklärung mit ilfe von Röntgenbeugung Zentrum für Mikro- und anotechnologien

59 Berechnung der Valenzelektronenverteilung Zentrum für Mikro- und anotechnologien