Vortrag Nanostrukturphysik II: Nanoskalige Biomoleküle. Kai Sauer

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1 Vortrag Nanostrukturphysik II: Nanoskalige Biomoleküle Kai Sauer

2 Gliederung Definition Grundlagen Funktionen im Körper Proteine Proteinfaltungen Protein-Protein-Wechselwirkung Interprotein-Wechselwirkung Protein-DNA-Komplexe Beispiele Curiosity Quellen 2

3 Definitionen Moleküle: stammt von Molekel und vom lat. molecula ( kleine Masse ) ab zwei- oder mehratomige neutrale Teilchen, die durch chemische Bindungen zusammen gehalten werden kleinstes Teilchen eines Reinstoffes Molekül; Quelle: [2] Proteine oder Eiweiße: stammt vom griechischen Wort protos ( Erster, Vorrangiger ) ab aus Aminosäuren aufgebautes biologisches Makromolekül Retinoblastom-Protein; Quelle: [3] 3

4 Grundlagen Grundlage aller komplexen Vorgänge in Zellen eindomänige Proteine besitzen reversible Faltungsprozesse nanoskalige Dimensionen sind relevant Unterscheidung von funktionellen und strukturellen Domänen reversibler Faltungsprozess; Quelle: [1] verschiedene Faltungsstrukturen: Primärstruktur Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartiärstruktur Proteinstrukturen Quelle: [5] 4

5 Grundlagen Primärstruktur besteht aus 20 kanonischen Aminosäuren Übersicht der 20 kanonischen Aminosäuren Quelle: [1] 5

6 Funktionen im Körper Grundlage für: Genexpression mechanische Eigenschaften der Zellen und des Gewebes Zellstoffwechsel Schutz gegen Fremdkörper Körperstruktur Stofftransport, Signalleitung Genmutationen können den Proteinaufbau verändern und somit die spezifische Funktion beeinträchtigen 6

7 Proteinfaltung Gegenstand der heutigen Forschungen Ziel die Faltungskinetik zu verstehen Ursache: Wechselwirkungen der Bestandteile mit dem Lösungsmittel stabile Strukturen werden durch Wasserstoffbrückenbindungen erzeugt große Proteine benötigen eine Faltzeit, die länger als das Alter des Universums ist Levinthal-Paradoxon -> Faltungsrouten höhe von T bestimmt die Zeit, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist 7

8 Proteinfaltung Unterscheidung von primär kinetische Stabilisierung primär thermodynamische Stabilisierung Techniken zur in vitro Untersuchungen von Faltungsrouten Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Röntgenkristallographie Quelle: [1] FRET-Animation; Quelle [12] kinetische und thermodynamische Stabilisierung 8

9 Proteinfaltung 9 Quelle: [4]

10 Protein-Protein-Wechselwirkung bestimmen die Funktion des Immunsystems Grundlage der Quartiärstruktur funktionale Komplexe -> reversibel aktuelles Forschungsgebiet mit direktem Zusammenhang zur Nanoforschung 10

11 Interprotein-Wechselwirkung spezifische Wechselwirkungen komplementäre Oberflächenbestandteile -> enge lokale Kontakten -> VdW-Kräfte aufgrund polaren Oberflächengruppen treten Wasserstoffbrückenbindungen auf Unspezifische Wechselwirkungen geringe Wechselwirkungen lockere Proteinpackung Unterscheidung von trockenen Protein-Protein-Grenzflächen feuchten Protein-Protein-Grenzflächen Protein-Protein-Docking Quelle: [1] 11

12 Protein-DNA-Komplexe elektrisch geladenes Polymer DNA ist negativ geladen und 2 m, lang mehr als 6 Milliarden Basenpaaren erste DNA-Ebene DNA-Segmente der Größe 50 nm gebunden an Histonproteine Nuclesosom (d = 10 nm) über Verbindungsabschnitte (Linker-DNA) verbunden Länge um das 7 fache gekürzt 12

13 Protein-DNA-Komplexe zweite DNA-Ebene Chromatinsfasern der Größe ca. 30 nm Perlenkette aus Nucleosomen muss in sich verdrillt und gespaltet sein genaue Art und Weise unbekannt, aber verschiedene Modelle (z. Bsp. Zick-Zack- Modell) dritte DNA-Ebene Annahme: Chromatinfasern verlaufen im Zellkern in Schleifen und sind an eine Art Rückgrat (Kernmatrix) gebunden in sich verdrillte Fasern (Supertwist) Kondensierung der DNA dichteste Packung liegt während der Mitose vor fache Verkürzung 13

14 Protein-DNA-Komplexe mit Linker-DNA verbundene Nukleosome Helix-Struktur der DNA Quelle: [6] Quelle: [1] 14

15 Protein-DNA-Komplex 15 Quelle: [7]

16 Proteine für die Optik insbesondere Bakteriorhodopsin: Membranprotein von Halobakterien wechselt Farbe von lila/purpur nach gelb, wenn es mit Licht bestrahlt wird besteht aus 248 Aminosäuren Interessant für Interferometrie holographische Mustererkennung optischer Datenspeicher Aktuelle Forschungen um Bakteriorhodopsin in anwendungsreife optische Systeme einzubauen 16

17 Proteine für die Optik Testmuster auf einem Bakteriorhodopsin- Display Die zwei Bakteriorhodopsin-Zustände 17 Quelle: [11]

18 Biosensor Funktionsprinzip Quicklab Biotin Substrat gesuchte Probe (DNS) alkalische Phosphatase Phosphat aus Substrat Quelle: [10] 18 Goldelektroden Fängermolekül Reduktions-Oxidationszyklus des Phosphates löst Stromfluss aus

19 Biosensor auf Basis der Cantilevertechnik Cantilever werden mit Fängermolekülen bestückt. Binden passende Moleküle aus der Probe an ein Fängermolekül, führt dies zu einer Auslenkung des Cantilevers. Dies kann mit einem Laser gemessen werden. 19 Quelle: [10]

20 Wirkstofftransport mit Hilfe Liposomen Liposomen sind nanoskalige Aggregate bestehend aus einer Doppelschicht Phospholipid-Molekülen. Damit lassen sich Wirkstoffe einkapseln und im Körper gezielt transportieren. Phospholipid- Molekül hydrophiler Kopf Liposom Die gleiche Funktion haben Micellen, Polymer-Nanopartikel, Polymer- Wirkstoff-Konjugate oder anorganische Nanopartikel. Micelle hydrophober Schwanz 20 Quelle: [10]

21 Curiosity Mars-Bodenproben enthalten organische Moleküle Enthielten Sauerstoff, Chlorgas und simple Kohlenstoffverbindungen Curiosity entdeckt trockenes Flussbett Marsoberfläche; Quelle:[8] trockenes Flussbett auf Mars und Erde Quelle: [9] 21 Gab es vor langer Zeit Leben auf dem Mars???

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22

23 Quellen [1] Nanostrukturforschung und Nanotechnologie, Band 2; Uwe Hartmann [2] Aufruf am [3] Aufruf am [4] Aufruf am [5] Aufruf am [6] Aufruf am [7] ologie_alt/chromosomen/aufbau/verpackung_der_dna/; Aufruf am

24 Quellen [8] Aufruf am [9] Aufruf am [10] Nanomedizin-Modul Gesamtversion: Powerpoint; Aufruf am [11] layout-d.pdf; Aufruf am [12] Resonanzenergietransfer#Physik; Aufruf am