3) Struktur und Faltung von Proteinen A) Sekundärstruktur B) Tertiärstruktur C) Quaternärstruktur und Symmetrie D) Stabilität von Proteinen F) Faltung von Proteinen Myoglobin Hierarchie der Proteinstruktur 3A) Sekundärstruktur Lernziele: 1) Der planare Charakter der Peptidbindung limitiert die konformationelle Flexibilität der Polypeptidkette 2) Eigenschaften der a Helix und des b Faltblattes Die Peptidbindung Lineare Verknüpfung / Kondensation von Aminosäuren Die Peptidbindung ist planar und limitiert damit die Konformation Die Peptidbindung, welche zwei Aminosäuren miteinander verknüpft, ist resonanzstabilisiert und bildet daher eine starre planare Struktur Die Trans-Peptidbindung ist stabiler Trans- ist ca. 8 kJ stabiler als cis-Konformation da keine sterische Hinderung. Die Polypeptidkette in gestreckter Konformation Kette von planaren Peptidbindungen mit R jeweils in trans Steric Interference of Adjacent Peptide Groups Die Konformation des Peptidrückgrades kann durch 2 Torsionswinkel definiert werden: Φ (Phi), Ca-N Ψ (Psi), Ca-C=O Als 180° definiert wenn wie gezeigt ausgedehnt + = Uhrzeigersinn wenn von Ca aus betrachtet Sterische Behinderungen erlauben nur definierte Kombinationen der Torsionswinkel Ramachandran Diagram b-Faltblatt a-Helices C, Kollagen, Trippelhelix Die a-Helix • Rechtshändige Spule • Steigung 3.6 AS/ Windung = 5.4 Å • Stabilisiert durch interneWasserstoffbrücken, C=O mit N-H at n+4 • Seitenketten gegen aussen Prolin ist ein Helix Brecher b-Faltblätter • Durch H-Brücken zwischen benachbarten Ketten stabilisiert, nicht innerhalb der Kette wie bei der aHelix • Stabiler parallel oder antiparallel, ? Connecting Adjacent b-Strands Kurzer Bogen (turn), antiparallel Lange Schlaufe (loop), parallel Carboxypeptidase A Schlaufe Helices b-Blatt Sterische Behinderungen erlauben nur definierte Kombinationen der Torsionswinkel Ramachandran Diagram C, Kollagen, Trippelhelix, aL, linksgängige helix Faserproteine Historisch wurden zwei Klassen von Proteinen unterschieden: Globuläre (löslich) und Fibriläre (unlöslich) Faserproteine spielen wichtige strukturelle Funktionen (schützend, verbindend, tragend; in Haut, Sehnen und Knochen), Kollagen: Bindegewebe (Knochen, Sehnen, Bänder) Keratin: Epidermale Hornschicht in Haar, Nägeln, Federn, Horn Kollagen: tripelhelikales Kabel Sequenz besteht aus repetitivem Triplet: Gly-X-Y - X häufig Pro, Y häufig Hydroxyprolin - Länger als 1000 AS - Pro verhindert Bildung einer a-Helix - Linksgängige Superhelix mit ~3 AS per Windung - 3 Parallele Ketten bilden ein rechtshändiges tripelhelikales Kabel - Jede 3. AS ist innerhalb der Struktur, nur Gly hat Platz - Seil ! Zugfestigkeit ! Structure of Collagen Model Peptide Collagen model peptide PDBid 1CAG Kollagen Defekte Skorbut: Vitamin C-Mangelerscheinung - Hautläsionen, fragile Blutgefässe, schlechte Wundheilung - Keine Neusynthese von funktionellem Kollagen - Vit C abhängige Prolyl-Hydroxylase - Seeleute, Captain James Cook “limely”, Zitrusfüchte a-Keratin: “coiled coil” Struktur 2 Helices die sich umeinander winden - Parallel N->C, 81 AS lang - Mit pseudo-repetitiver Struktur: (a-b-c-d-e-f-g)X (heptad repeat) Wobei a und d unpolare AS - Quervernetzung: Cys-Cys, Dauerwellen Cys Übergeordnete Struktur von a-Keratin Fibriläre Proteine sind charakterisiert dadurch dass s aufweisen !Ker Kerati 20 µm! Säuge Vögel Hierar Beispi Zellen Durch Makro (8 nm Ist Actin ein Faserprotein ? 3B) Die Tertiärstruktur Lernziele: 1) Die Tertiärstruktur beschreibt die Raumkoordinaten jedes Atoms 2) Die Tertiärstruktur eines Proteins wird aus Sekundärstrukturelementen aufgebaut, welche kombiniert werden können und dann Motive und Domänen bilden 3) Die Raumstruktur eines Proteins ist stärker konserviert als seine Sequenz Die Tertiärstruktur von Proteinen Die Tertiärstruktur beschreibt die Position der Sekundärstrukturelemente (a-Helix, b-Faltblatt) im Raum, dh die Raumkoordinaten eines jeden Atoms = 3D Struktur Diese Information wird in speziellen Struktur Datenbanken deponiert (protein structure database, pdb) Experimentell kann die Tertiärstruktur durch zwei Techniken bestimmt werden: Röntgenstrukturanalyse von Protein Kristallen oder NMR von Proteinen in Lösung Protein Kristalle X-ray Diffraktionsmuster Why the things are the way they are https://www.youtube.com/watch?v=RkRYe1J7cHE&feature=related (7 Min) Beispiele von Proteinstrukturen Cytochrom b562 Mit Häm Immunoglobulin Fragment Lactat Dehydrogenase Grosse Proteine bestehen aus unterschiedlichen Domänen Proteine mit mehr als 200 AS falten sich oft in mehrere Domänen (von 40-200 AS) in Eukaryoten. Domänen = Faltungseinheiten Prokaryonten können nur Proteine mit einer Domäne herstellen Oftmals spezifischen Funktionen zB. Nukleotid Bindestelle zum Binden von NAD+ in einer Domäne, und Substratbindung in einer anderen Domäne Die Struktur ist stärker konserviert als die Sequenz, Bsp Cytochrom C 3C) Quaternär Struktur und Symmetrie von Proteinen Lernziele: 1) Einige Proteine sind aus mehreren Untereinheiten aufgebaut, welche meist symmetrisch angeordnet sind Quaternär Struktur von Hämoglobin Häm - Untereinheiten assoziieren zusammen in eine definierte Struktur = Quaternäre Struktur - Multi-subunit Proteine können aus identischen oder nicht-identischen Untereinheiten aufgebaut warden (homo-, hetero-oligomerisch) - Bsp: Hämoglobin ist ein Dimer aus je 2x ab Protomeren (a2b2) Symmetrie von oligomeren Proteinen Protomere sind symmetrisch angeordnet Nur Rotations-symmetrie, keine Spiegelsymmetrie, weshalb ? Kontaktregionen im Inneren 3D) Stabilität von Proteinen Lernziele: 1) Die Stabilität eines Proteins hängt hauptsächlich von hydrophoben Kräften ab 2) Ein Protein, welches denaturiert worden ist, kann sich unter bestimmten Bedingungen wieder rückfalten (renaturieren) Stabilität von Proteinen - Native Proteine sind marginal stabil -> werden andauernd abgebaut und neu synthetisiert - Ein Protein von ca. 100 AS Protein ist nur ca ~40 kJ/mol stabiler als die ungefaltete Form. Dies entspricht der Energie von lediglich 2 Wasserstoffbrücken => Die native Struktur resultiert aus einem delikaten Gleichgewicht von entgegengesetzten Kräften: Hydrophob im inneren, hydrophil auf der Oberfläche Proteine werden von unterschiedlichen Kräften stabilisiert - Die Proteinstruktur wird durch hydrophobe Kräfte im inneren des Proteins gewährleistet, und weniger durch Interaktionen von polaren oder ionischen Seitenketten (auf der Oberfläche des Proteins) - Dieser hydrophobe Effekt zwingt nicht polare Substanzen ihre Interaktion mit Wasser zu minimieren (Benzin auf Wasser) unfolded folded But: not only blue and red, but 20 different characters Von Treshphrd - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15405616 hydrophilic hydrophobic Relative Hydrophatie der einzelnen AS: Die Energie, welche benötigt wird, um die AS in Wasser zu lösen Proteine können denaturiert und renaturiert werden - Temperatur, Schmelzen der Struktur - pH Änderung, Ionisierung der Seitenketten - Detergentien, bricht hydrophobe Interaktionen - Chaotrope Agentien, Guanidium Ion, Harnstoff erhöhen die Löslichkeit von nichtpolaren Substanzen in Wasser, brechen Hydrophobe Interaktionen Strong denaturing, chaotropic agents Denaturierte Proteine können renaturiert werden - 1957, Christian Anfinson, konnte Ribonuclease A (RNase A), 124 AS denaturieren und wieder renaturieren - Denaturierung in 8 M Harnstoff - Renaturierung durch Dialyse => volle enzymatische Aktivität Þ Protein faltet sich spontan und nimmt aktive Konformation ein Þ Die Primärstruktur des Proteins bestimmt seine dreidimensionale Struktur und damit die biologische Aktivität 3E) Protein Faltung Lernziele: 1) Die Faltung eines Proteins geschieht entlang eines vorgegebenen Weges. Das Protein geht dabei von einem Zustand hoher Energie und Entropie zu einem mit tiefer Energie und Entropie über 2) Amyloidosen sind auf Missfaltung von Proteinen zurückzuführen Protein Faltung ist geordnet - Faltung geschieht in wenigen Sekunden - Faltung ist nicht zufällig, sondern folgt einem vorgegebenen Weg - Lokale Ausbildung der Sekundärstruktur- elemente - gefolgt von einem hydrophoben Kollaps (molten globule) - Faltungsprozess is kooperativ (dh. alles oder nichts) Energy-Entropy Diagramm der Protein Faltung Faltungs-Trichter Temporäre FaltungsFallen Lokale EnergieMinima Einige Erkrankungen sind auf ProteinMissfaltung zurückzuführen Mindestens 20, meist tödliche, humane Erkrankungen sind auf extrazelluläre Depots von normalerweise löslichen Proteinen zurückzuführen. Amyloide = unlösliche fibröse Proteinaggregate Symptome zeigen sich meist erst spät (30-70 Jahren), progressive Verschlechterung während 5-15 Jahren bis zum Tod Scrapie Prion Erkrankungen sind infektiös • Scrapie, neurologische Erkrankung von Schafen und Geissen, ursprünglich durch einen “langsamen Virus” • Bovine spongiform encephalopathy (BSE, mad cow disease), und Kuru (degenerative Nervenkrankheit im Menschen, durch Kannibalismus auf Papua Neuguinea), KreutzfeldJakob disease (CJD), sporadisch (spontan auftretend), übertragen (Spritzen), new variant (Rindfleisch) • Neuronen entwickeln grosse Vakuolen, gibt dem Gehirngewebe unter dem Mikroskop ein schwamm-ähnliches Aussehen (spongiform) • All are known as transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) Amyloid Fibrillen haben b-Faltblatt Strukturen • PrPC (prion protein cellular) hauptsächlich a-helical, löslich • PrPSc (prion protein scrapie) b-Blatt => fibriläre Struktur, unlöslich • Fast jedes Protein kann dazu gebracht werden, fibriläre Strukturen auszubilden PrPC (Prion Protein celluläres) PrPSc (Scrapie Form) auto-catalytic ! Zusammenfassung • https://www.youtube.com/watch?v=qBRFIMcxZNM • Peptidbindung ist planar • Sekundärstrukturelemente • Kollagen, Keratin sind fibriläre Proteine • Proteine sind marginal stabil, 2 H-Brücken • Anfinsen Experiment, RNase A • Faltung ist schnell und geordnet • Amyloidosen https://www.youtube.com/watch?v=qBRFIMcxZNM (4 Min)
