Struktur von Eiweißen, Proteinfaltung
MEDIZINISCHE PHYSIK UND STATISTIK 1.
Dr. Tamás Huber Institut für Biophysik 28. Oktober 2016.
Prüfungsfrage
Die Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quaternärstruktur der Eiweißmoleküle. Die Faltung der Proteine: Anfinsen’s Versuch, das von Levinthal aufgestellte Paradoxon, die Theorie der
„Faltungs-Trichter“
Lehrbuch 63-69 S.
Hydrolyse Kondensation
Peptidbindung
Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare Kette von Aminosäuren verbunden mit Peptidbindungen
• Aminogruppe ( Ausnahme: Prolin)
• Carboxilgruppe
• Die unterscheiden sich durch ihre Seitenkette (R) (unterschiedliche Grösse, Ladung, und physikochemische Eigenschaften)
Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare
Kettevon Aminosäuren verbunden mit Peptidbindungen
http://www.u-helmich.de/bio/cytologie/02/021/Proteine/Proteine03-06.html
Die allgemeine Strukturformel der Aminosäuren.
Aminosäure enthalten tetraedrisch konfigurierte C-Atome mit vier verschiedenen Liganden:
Chiralitätszentrum
In der Natur kommen, von einigen Bakterien einmal abgesehen, ausschließlich L-α- Aminosäuren vor.
Enantiomere drehen die Schwingungsebene von polarisiertem Licht entweder nach links (-) oder nach rechts (+).
Lineares Polymer = ein Polymer ohne Seitenkette Einige Beispiele:
Biopolymer Untereinheit Bindung
Nucleinsäure (DNS, RNS) Nucleotide (CTUGA) Kovalent (Phosphodiester) Polysaccharide (z.B.:
Glykogen)
Zucker (z.B.: Glükose) Kovalent (z.B.: a-Glykosid)
Eiweiss Aminosäure Kovalent (Peptidbindung)
Eiweiss-Polymere (z.B.:
Mikrotubulus)
Eiwess (z.B.: Tubulin) Sekundäre
(Wasserstoffbrückenbindung , Ionische Bindung, usw.)
Eiweiss (Protein): Lineares
Polymer: lineare Kette von Aminosäurenverbunden mit Peptidbindungen
Die AS werden in der Richtung vom N- Terminus (links) zum C-Terminus (rechts) gezählt. Die Hauptkette hat eine
Primärstruktur der Proteine: die Aminosäuresequenz
Sekundärsturktur der Proteine: sind Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) stabilisierte Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation.
http://www.mpg.de/483834/pressemitteilung200402171
Alfa-Helix
Acetyltransferase
• Die Alpha-Helix ist eine der am häufigsten auftretenden regelmässigen Sekundärstrukturen.
• Die Polypeptidhauptkette bildet den inneren Teil des Stabes, während die Seitenketten in schraubenartiger Anordnung nach aussen weisen.
• Herausbildung: die Peptidebene drehen sich um das zentrale Kohlenatom und als Ergebnis entsteht eine helikale Struktur, die Wasserstoffbindungen stabilisieren.
• Die Wasserstoffbindungen entstehen zwischen dem N-Atom und dem Sauerstoffatom der Carboxilgruppe die voneinender 4 Peptidbindung entfernt liegen.
• Die H-Brücken sind annähernd paralell zu der Längsachse von Helix.
• Die Höhe einer Drehung ist 0.54 nm
• 3.6 Aminosäure bilden eine Drehung
• Rechtsgängige Helix
Beta-Faltblatt
Acetyltransferase
• Die Peptidebenen liegen in Zickzack nebeneinander.
• Die Wasserstoffbrücken befinden sich senkrecht zu der Längsachse.
Der 3
10helikale Bestandteil
• 3 Aminosäure (10 Atome) pro Drehung
• Länger und schmaler als eine Alpha-Helix
• Energetisch ungünstiger als eine Alpha-Helix
• Kommt seltener vor, befindet sich eher am Ende der Helix
Die π - Helix
• Kürzer und breiter als der kanonische Alpha-Helix
• 4.4 Aminosäre/Drehung
• Energetisch ungünstiger als eine Alpha-Helix
• Kommt seltener vor, befindet sich eher am Ende der Helix
Die Polyprolin-Helix
Proline• Die kommt often vor in Bereiche die sind reich an Prolin.
• Die bilden keine Supersekundärstruktur mit Wasserstoffbrückennetzwerken (z.B. als Faltblättern)
• 3 Prolin pro Drehung
PPI: - Cis-Proline (in entfalteten Peptide sind Proline zu 10 – 20 % in cis-Konformation)
- rechtsgängige Helix
PPII: - Trans-Proline (gefaltete Proteine haben fast nur trans-Proline;)
- linksgängige Helix
Zusammengefasst Tertiärsturktur der Proteine: die vollständige dreidimensionale
Struktur der Kette.
Die Tertiärstruktur ist das Ergebnis verschiedener intramolekularer Bindungen:
Einige typische Tertiärstrukturen:
http://www.biokurs.de/skripten/bs11-10.htm
Quartärsturktur der Proteine: die spezifische räumliche Zuordnung der verschiedenen Polypeptidketten zueinander in Proteinen mit mehreren Untereinheiten
Hämoglobin besteht beispielsweise aus 4 Polypeptidketten, nämlich 2 alpha- und 2 beta-Untereinheiten.
Die Proteinfaltung
Warum und wie „faltet“ sich eine Polypeptidkette?
Zentrales Dogma der Molekularbiologie:
124 AS 1 Kette 4 Disulfidbrücken
Wie falten sich Proteine?
Ribonuklease A:
1. Schritt: Denaturierung eines gefalteten Proteins mit Harnstoff und β-Mercaptoethanol
Native Ribonuklease Denaturierte und reduzierte Ribonuklease Keine Aktivität
2. Schritt: Renaturierung eines entfalteten Proteins
• Aktivität: 1%
• Random Disulfid-Brücken zwischen die 8 Cysteine
• 105 verschiedene Möglichkeit (7x5x3x1)
Folgerung: die Primärstruktur definiert die 3D Struktur.
Die Faltung ist unter thermodynamischer Kontrolle: die native Struktur ist die am thermodynamisch stabilsten Zustand.
Frage: Wie kann das Protein seine native, biologisch aktive Konformation ausbilden?
Das Levinthal-Paradox (1968)
• Wenn jeder Aminosäurerest nur 2 Zustände annehmen könnte, gäbe es bei einer Proteinlänge von n Aminosäuren2nmögliche Faltungsvarianten.
• Ein Protein mit 100 Aminosäuren hat 2100verschiedene Konformationen.
• Würde eine Änderung der Konformation etwa 1ps benötigen, so bräuchte dieses Protein 1010Jahre um die optimale Konformation zu finden.
• Im Falle vieler untersuchter Proteine setzt die Faltung schon ein, während die Aminosäurekette synthetisiert wird und aus dem Ribosomen austritt.
•
Steht die Proteinfaltung unter thermodynamischer oder kinetischer Kontrolle?
In Wirklichkeit: es faltet in 1s!
Die Faltungstrichter
FreieEnthalpie
Freiheitsgrad der Konformationen
Alle Punkte der Fläche entsprechen einer Konformation des Eiweisses.
Die einzelnen Moleküle suchen den am tiefsten liegenden Punkt. Die Moleküle können verschiedene Strecken bewandern, während sie von der thermischen Bewegung bewegt werden.
Das globale Minimum der Fläche entspricht dem nativen Zustand des Eiweisses. Die Moleküle rutschen an der Seite des Trichters in die Richtung des globalen Minimums.
Die Faltungstrichter
Die native Struktur steht unterthermodynamischer Kontrolle(das globale Minimum der freien Enthalpie).
Aber! Das Protein erreicht diese Struktur durch intermediäre Konformationen die sich unterkinetischer Kontrollebilden .
„Fehlfaltung“ von Proteinen kann pathologische Entwicklungen verursachen
https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinfehlfaltungserkrankung Mit Alzheimer kommt es zu einem fortschreitenden Abbau im Gehirn. Im Bild:
Hirnschnitte mit Alzheimer (links) und ohne (rechts).Bild: Keystone
• Chaperone = „Faltungsenzyme”
• = Proteine, die mit einem nicht-nativen Protein interagieren, es stabilisieren oder ihm helfen, seine native Konformation anzunehmen, ohne selbst Teil der finalen funktionalen Struktur zu werden.
• Keine direkte sterische Hilfestellung (keine aktive Formgebung) bei der Faltung.
• Hitzeschock induziert die Produktion einer Reihe von „Hitzeschockproteinen“
(Chaperone).
Molekulare „Chaperone“ für Proteine
Biologie in unserer Zeit 31 (2001) 182-192
