Aufgabe 4 (Sekundärstruktur)

Transkript

1 Aufgabe 4 (Sekundärstruktur) Fragestellung - Durch welche Eigenschaften zeichnen sich α-helices und β-faltblätter aus? Belegen Sie Ihre Antwort mit den entsprechenden Daten. (phi/psi-winkel). - Wodurch werden Sekundärstrukturelemente stabilisiert? - Welche weiteren Sekundärstrukturen können sie finden? - Wohin zeigen die Seitenketten bei α-helices und β-faltblättern? Verwendet wurde die Struktur 1scy.pdb. Ergebnisse Abb. 4.1: Peptidtorsionswinkel Winkel innerhalb eines ß-Faltblattes Aminosäure phi φ [ ] psi Ψ [ ] Leu ,2 94,8 Gly 19-64,6 130,5 Lys ,9 138,8 Cys ,8 107,9 Ile 22-86,1 161,7 Lys ,6 159,9 Cys ,5 Glu ,6 172,6 Cys ,2 97,2

2 Länge der H-Brücken im Faltblatt Lys25.O-Ile22.N: 2,764 Å Glu27.N-Lys20.O: 2,924 Å Glu27.O-Lys20.N: 2,973 Å Val29.N-Leu10.O: 2,939 Å Mittelwert: 2,9 Å Winkel innerhalb der α-helix Aminosäure phi φ [ ] psi Ψ [ ] Arg 6-64,5-49 Met 7-61,9-46,1 Cys 8-56,7-52,4 Gln 9-51,6-50 Leu 10-58, Ser 11-64,9-42,7 Cys 12-64,4-42,7 Arg 13-66,3-32,2 Ser 14-56,3-33,4 Länge der H-Brücken in α-helix Leu5.O-Gln9.N: 2,798 Å Arg6.O-Leu10.N: 2,934 Å Met7.O-Ser11.N: 2,855 Å Cys8.O-Cys12.N: 2,903 Å Gln9.O-Arg13.N: 2,686 Å Leu10.O-Ser14.N: 2,887 Å Mittelwert: 2,843 Å Winkel innerhalb von loops Aminosäure phi φ [ ] psi Ψ [ ] Asp 24-81,5-46,3 Gly ,1 Leu 17-83, Gly 16 90,3-20,8 Messung des Torsionswinkel omega: Leu17.CA Leu17.C Leu18.N Leu 18.CA: -177,5 Leu 18.CA Leu18.C Gly19.N Gly19.CA: 178,8

3 psi X phi alpha-helix Beta-Faltblatt Loop Abb.4.2: Ramachandran-Plot mit eingetragenen Winkeln Optimale Werte im roten Bereich, Werte im gelben Bereich noch möglich α-helix mit H-Brücken Abb.4.3: α-helix in cpk Farben H-Brücken in grün. Die H-Brücken verlaufen fast parallel. Abb.4.4: α-helix in cpk Farben mit Seitenketten Seitenketten in Schwarz. Die Seitenketten zeigen nach außen.

4 Abb.4.5: α-helix mit van der W-Radien Seitenketten rot und backbone grün (AS 5-14). Die Seitenketten zeigen nach außen. ß-Faltblätter mit H-Brücken beide H-Brücken sind möglich aber nicht gleichzeitig. RasMol kann nicht entscheiden welche die Richtige ist, deshalb werden beide abgebildet Abb.4.6: β-faltblatt backbone in cpk-farben, H-Brücken in grün. Man erkennt die H-Brücken zwischen 2 Polypeptidsträngen.

5 Abb.4.7: ß-Faltblatt mit Seitenketten backbone in cpk-farben, H-Brücken in grün, Seitenketten in schwarz. Die Seitenketten zeigen nach oben und unten. Auswertung / Diskussion α-helix: Die α-helix liegt in der Polypeptidkette in Form einer rechtsgewundenen Schraube vor. Dabei bilden 3,6 Aminosäuren eine Windung, deren Ganghöhe 0,54nm beträgt. In Proteinen besteht die α-helix durchschnittlich aus 12 Aminosäuren. Die α-helix wird durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert, die sich zwischen der Carbonylgruppe der n-ten Aminosäure und der Aminogruppe der (n+4)ten Aminosäure ausbilden. Die Wasserstoffbrücken verlaufen nahezu paralleles zur Achse der α-helix (vgl. Abb.4.3). Dabei zeigen die Sauerstoffatome der Carbonylgruppe der Peptidbindungen alle in dieselbe Richtung, sodass die α-helix einen Dipol darstellt. Die Seitenketten ragen dabei nach außen (vgl. Abb.4.4 und 4.5) Innerhalb der α-helix sind nur bestimmte Torsionswinkel der Winkel φ und Ψ (Abb. 4.1) erlaubt. Drehung um den Winkel omega ist aufgrund des partiellen Doppelbindungscharakters der Peptidbindung nicht möglich. Die erlaubten Winkelkombinationen von φ und Ψ kann man dem Ramachandran-Plot entnehmen. Die gemessenen Torsionswinkel innerhalb einer α-helix-struktur stimmen sehr gut mit den erlaubten Winkeln des Ramachandran-Plots überein. Es wurden die Torsionswinkel aufeinander folgender Aminosäuren gemessen. Da alle in dem der α- Helix zugeordneten Bereich des Ramachandran-Plots liegen, handelt es sich eindeutig um eine α-helix. Mithilfe von RasMol ist es also möglich, anhand der Torsionswinkel Aussagen über Sekundärstrukturen zu machen.

6 β-faltblatt: Auch das β-faltblatt wird durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. Dabei wird die gesamte Wasserstoffbrückenbindungskapazität maximal ausgenutzt. Jedoch treten bei β-faltblättern H-Brücken zwischen benachbarten Polypeptidsträngen auf und nicht innerhalb eines Polypeptidstranges wie bei der α-helix. Die Peptidkette ist dabei in Zickzack-Form gefaltet (vgl. Abb.4.6), wobei die β-strands entweder parallel oder antiparallel zueinander sein können, entsprechend verwendet man die Begriffe "paralleles" und "antiparalleles" β-faltblatt. Während die α-helix eng geknäult ist, weist das β-faltblatt eine mehr plattenartige Struktur auf und die Polypeptid-Kette ist fast komplett gestreckt. Die Seitenreste ragen alternierend zur einen und zur anderen Seite des Faltblattes, fast senkrecht zu der Ebene der Wasserstoff-Brücken (vg. Abb.4.7) Auch hier stimmen unsere gemessenen Torsionswinkel innerhalb eines β-faltblatts sehr gut mit der erlaubten Winkeln des Ramachandran-Plots überein: die Torsionswinkel aufeinander folgender Aminosäuren lagen alle im Bereich des Ramachandran-Plots, der für β-faltblätter typisch ist. loop: Bei einem loop weisen die aufeinander folgenden Aminosäuren sehr unterschiedliche Torsionswinkel auf, sodass sie nicht in einen bestimmten Bereich im Ramachandran- Plot eingeordnet werden können. Durch diese Eigenschaft können loops schon allein durch ihre Torsionswinkel von den ß-Faltblättern oder der α-helix unterschieden werden. Torsionswinkel omega: Außerdem wurde der Torsionswinkel omega bestimmt. Winkel von 180 bzw waren bei einer trans-peptidbindung zu erwarten gewesen. Jedoch zeigte die Messung, dass der omega-winkel um wenige Grad von 180 abweicht (-177,5 bzw.178,8 ). Das liegt daran, dass die Peptidbindung nicht immer planar ist sondern auch leicht in sich verdreht sein kann. Deshalb sind Abweichungen von 5-6 nichts Ungewöhnliches. Längen der H-Brücken: Des Weiteren wurden die Längen der H-Brücken bei der α-helix und dem ß-Faltblatt bestimmt. Die Messungen ergaben, dass die H-Brücken der α-helix beim unserem Messungen im Schnitt um ca. 0,06Å kürzer sind als die des ß-Faltblattes. Die Gründe für diese minimale Abweichung können vielfältig sein, außerdem wurde in Aufgabe 3 bereits auf die Problematik der ungenauen Längenbestimmung bei RasMol eingegangen, sodass die hier aufgetretenen minimalen Variationen der Länge nicht noch einmal näher diskutiert werden sollen.