1. Sekundärstruktur 2. Faserproteine 3. Globuläre Proteine 4. Protein Stabilisierung 5. Quartärstruktur

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1 Dreidimensionale Struktur von Proteinen (Voet Kapitel 7) 1. Sekundärstruktur 2. Faserproteine 3. Globuläre Proteine 4. Protein Stabilisierung 5. Quartärstruktur

2 2. 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 geschwärtzte Stellen, wenig strukturelle Information Röntgenstruktur einer Seidenfaser

3 A. 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.

4 2 α Helices umschlingen einander parallel zu einem linksgängigen coiled coil 2 nm 2 versetzte antiparallele Reihen von coiled coils 8 nm

5 - 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

6 B. Seidenfibroin - eine Faltblattstruktur Insekten und Arachniden produzieren Seide die aus Faserprotein Fibroin und Sericin besteht. Kokons 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

7 C. 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 Prolyl- Hydroxylase (Vit C abhängig) Zusätzliche Stabilität durch intramolekulare H-Brücken Skorbut= Vit C Mangel weniger Hyp verschlechterte Kollagenstabilität Hydroxylysin wird auch in Kollagen gefunden

8 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

9 Kollagen ist in Fibrillen angeordnet 68 nm 300 nm -gestaffelte Anordnung der Fibrillen -gebundener Kohlenhydratanteil (Glucose, Galactose) die an 5-Hydroxylysyl gebunden werden. Oft an Einkerbungsregion und deshalb möglicherweise wichtig für Zusammenbau der Fibrillen. -Knochen besteht aus organischer Matrix (Kollagen) und anorganischer Matrix (Hydroxyapatit). Kristallisationskeime in Periode von 68 nm, Einkerbungen können als Nucleationsstellen für die Kristallisation von Hydroxyapatit dienen. Bandenförmiger Aufbau von Kollagen-Fibrillen im EM. Gestaffelte Anordnung der Kollagen-Moleküle führt zu periodisch eingekerbter Oberfläche -Kollagen unlöslich auch in LSM die H-Brücken und ion. Bindungen lösen. Grund: Intra- und intermolekulare kovalente Vernetzung (crosslinks)

10 Kollagen-Fibrillen sind kovalent miteinander vernetzt 2 Seitenketten verknüpft oxidative Desaminierung, Aldehyde entstehen Aldolkondensation Nicht Disulfidbindungen wie bei Keratin sondern Lys und His Seitenketten werden verknüpft Verknüpfungen treten sind gehäuft an N- bzw. C- Termini der Kollagen Moleküle 3 Seitenketten verknüpft 4 Seitenketten verknüpft 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.

11 D. Elastin - Ein nichtrepetitives Knäuel Elastin: - gummiartige, elastische Eigenschaften - im gelben Bindegewebe z.b. Lunge, Blutgefässe, elastische Bänder des Halses Besondere Aminosäurenzusammensetzung: 1/3 Gly, >1/3 Ala und Val, reich an Pro keine Hyp und Hyl und wenig polare Reste Bildet Netzwerk aus Fasern aber keine erkennbare Periodizität, keine reguläre Sekundärstruktur Quervernetzungen ähnlich wie in Kollagen Desmosin, Isodesmosin, Lysinoroleu. verantwortlich für gelbe Farbe

12 Dreidimensionale Struktur von Proteinen (Voet Kapitel 7) 1. Sekundärstruktur 2. Faserproteine 3. Globuläre Proteine 4. Protein Stabilisierung 5. Quartärstruktur

13 3. Globuläre Proteine - Globuläre Proteine = Sphäroide Moleküle z. B. Enzyme, Transportproteine, Rezeptoren - Röntgenstrukturanalyse eine Methode zur Charakterisierung von Proteinstrukturen A. Interpretation von Röntgenstrukturen - direkte Abbildung von Molekülen - Sichtbarkeit eines Moleküls abhängig von Wellenlänge der Strahlung. z.b. Licht = 400nm alles < 400 nm wird in Lichtmik. nicht gesehen. Röntgenstrahlen ca nm ähnlich wie kovalente Bindungsabstände sichtbar Aber keine Linsen für Röntgenstrahlen Beugungsmuster Schwärtzung auf Film mathematische Rekonstruktion der Struktur - Röntgenstr. wechselwirken mit Elektronen, nicht Kernen Bild von Elektronendicheverteilung Röntgenbeugungsaufnahme eines Einkristalls von Pottwal-Myoglobin. Diffraktionsmuster ist eine Funktion der Elektronendichte des Kristalls

14 Elektronendichteverteilung des Häms bei 0.2 nm Auflösung. Ähnlichkeit mit Topographischen Höhenkurven. Je dichter desto mehr Elektronen Eisen hohe Elektronendichte Überlagerung von Ebenen verschiedener Elektronendichte ergibt eine dreidimansionale Elektronendichteverteilung. Auflösung 0.14 nm Myoglobin Dreidimansionale Computerdarstellung der Elektronendichteverteilung des menschlichen Rhinoviruses bei 0.3 nm Auflösung

15 Proteinkristallstrukturen erreichen keine atomare Auflösung - Proteinkristalle dreidimensionale Gitter mit hohem Wassergehalt - wässrige Lösungsmittel nötig für strukturelle Integrität des Proteinkristalls - Proteinkristall hat gelatinöse Konsistenz, nicht starr, deshalb Position ein bisschen beweglich was zu geringerer Auflösung führt. - Auflösung genug um Polypeptidgerüst auszumachen, ähnliche AS wie Leu, Ile, Thr und Val können schlecht voneinander unterschieden werden. - Primärstruktur des Proteins muss bekannt sein, um Aminosäuren und Elektronendichteverteilung in Deckung zu bringen. Elektronendichteverteilung von Diketopiperazin bei angegebener Auflösung

16 Die meisten Proteine erhalten native Konformation in kristallinem Zustand -Oberfläche ist mit Kristallisationslösung getränkt -katalytische Aktivität bleibt bei Enzymen erhalten Darstellung von Proteinen Kugel-Stab Modelle computererzeugte Raummodelle mit nur wenigen Seitenketten mit wichtiger Funktion Aminosäurereste vom N- zum C-Term fortlaufend nummeriert Helices mit A bis H benannt Pottwal-Myoglobin

17 Cartoon-Darstellung von Pottwal-Myoglobin polare Seitenketten Hämgruppe unpolare Seitenketten

18 Strukturen von Proteinen mit weniger als 200 AS können mit NMR aufgeklärt werden Es werden die Interproton Distanzen bestimmt. Ein NMR Peak entsteht wenn 2Protonen weniger als 5 A voneinander entfernt sind. Mit dem Computer weden die mögliche Interaktionen zugeordnet, für eine Darstellung muss allerdings die Aminosäurensequenz bekannt sein. Gestrecktes Protein mit Protonen a-d Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy NMR Struktur eines 64 restigen polypeptides (Src protein SH3 Domäne) Proton a ist 5 A von d weg

19 B. Tertiärstruktur gebundene Metallionen Faltung der Sekundärstrukturelemente (Helices, Faltblätter) ergibt Tertiärstruktur Globuläre Proteine können sowohl α Helices als auch β Faltblattstrukturen enthalten. Myoglobin (siehe vorher) hat nur α Helices die zu einem Knäuel angeordnet sind Concanavalin A hat nur β Faltblattstrukturen die zu einem Knäuel angeordnet sind

20 Die meisten Proteine haben α Helices und β Faltblätter (durchschnittlich ca. 27% α Helix und 23% β Faltblatt) Zn 2+ Histidin-Seitenketten Humane Carboanhydrase eines der wenigen Proteine das in der nativen Form am C-Term einen Knoten bildet Knoten

21 Innenseite apolar Myoglobin Pottwal Aufsicht der Helix verbindet 2 Helices Seitenkettenplatzierung variiert mit Polarität: 1. unpolare Reste (Val, Leu, Ile, Met, Phe) vorwiegend im Inneren 2. geladene Reste (Arg, His, Lys, Asp Glu) vorwiegend an Oberfläche wenn im Inneren chem. Funktion 3. ungeladene polare Reste (Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr, Trp) an Oberfläche, im Inneren H-Brücken Bildung

22 Grosse Polypeptide bilden Domänen Polypeptidkette aus mehr als 200AS Domänen = globuläre Gruppen Domänen sind strukturell unabhängige Einheiten Verbunden durch Polypeptidkette (flexibel) Domänen haben oft spezifische Funktion z.b. Bindung von kleinen Molekülen Bindung oft an Spaltstelle zwischen Domänen Verknüpfung zwischen Domänen biegsam flexible Wechselwirkung zu Molekül Proteasen schneiden oft hier

23 Supersekundärstrukturen beeinflussen Struktur und Funktion βαβ Einheit αα Einheit β Mäander

24 Ausgedehnte β Faltblattstrukturen rollen sich oft auf und bilden β Faßstrukturen Rechts ein vergleich von β Faßstrukturen mit geometrischen Motiven auf Keramik und Weberei Rubredoxin zeigt verbundene β Mäander Präalbumin Triosephosphat isomerase

25 βαβαβ Einheiten sind oft Nucleotid-Bindungsstellen Coenzym-Bindende Domäne von Dehydrogenasen (idealisiert). Aus 2 nucleotid bindenden Faltungseinheiten (gelb und blau).