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Zusammensetzung undStruktur der Proteine
Stryer (6. Auflage) Kapitel 2
Vielfalt der Proteine
Wie kommt diese Vielfalt anProteinen zustande?
1. Peptide und Polypeptide sind Ketten aus 20verschiedenen L-Aminosäuren (Primärstruktur).
2. Sekundärstrukturen von Polypeptiden2. Sekundärstrukturen von Polypeptiden3. Tertiärstrukturen von Polypeptiden (Proteine)4. Quartärstruktur von Proteinen5. Aufbau grosser Polypeptide6. Proteinmodifikationen
Proteine bestehen aus 20verschiedenen -Aminosäuren
Die Sequenz, die Reihenfolge der Aminosäuren entspricht derPrimärstruktur. Diese bestimmt im wesentlichen die Sekundär-,Tertiär- und (wenn vorhanden) die Quartärstruktur einesProteins.
-Aminosäuren sind untereinander über Peptidbindungen-Aminosäuren sind untereinander über Peptidbindungenverknüpft und bilden Peptide, bzw. Polypeptide.
Polypeptide können Sekundärstrukturen ausbilden: z. B. -Helix, -Faltblatt und andere.
Tertiärstruktur: die Sekundärstrukturen eines wasserlöslichenPolypeptids falten zu kompakten, dreidimensionalen Strukturen,wobei im Innern apolare Aminosäurereste bevorzugt auftreten.
Die L- und D-Isomere vonAminosäuren
Die L- und D-Isomere vonAminosäuren als Fischerprojektionen
OHO OHOOHO OHO
H2N H
CH3
L-Alanin
H NH2
CH3
H2N H
CH3
H NH2
CH3
D-Alanin
In Proteinen finden sichausschliesslich L-Aminosäuren
Nahezu alle L-Aminosäuren besitzenden (S)-Chiralitätssinn nach dem Sys-tem von Cahn, Ingold und Prelog (RS-System).System).Die Anordnung der Substituenten nachabsteigender Priorität gegen den Uhr-zeigersinn steht für die S-Konfigura-tion des Chiralitätszentrums.
Ionisierungsgrad in Abhängigkeit despH-Wertes
pK1 = 2.3 pK2 = 9.7
Alanin c = 0.1 M
pKw
pH
Glycin und Alanin
AS mit aliphatischen Seitenketten
COOH
H2N H
CH2
CH
H3C CH3
COOH
H2N H
CH2
HH3C
CH3
COOH
H2N H
CH2
H2C
S
CH3
Cyclische Struktur von Prolin
COOH
HN H
Auch Prolin besitzt eine aliphatische Seitenkette, unterscheidet sichjedoch von den anderen 19 Aminosäuren dadurch, dass seine Seitenkettesowohl mit dem -Kohlenstoffatom als auch mit dem Stickstoffatomverbunden ist. Prolin beeinflusst die Architektur eines Proteins in hohemMasse, da es durch seine Ringstruktur in seiner Konformation stärkereingeschränkt wird als die anderen Aminosäuren.
AS mit aromatischen Seitenketten
COOH
H2N H
CH2
OH
COOH
H2N H
CH2
N
H
AS mit aliphatischen Hydroxylgruppen
COOH
H2N H
CH2
OH
COOH
H2N H
CH3
H OH
Cystein enthält eine Sulfhydryl- oderThiolgruppe
Basische AS
Basische AS
Lysin und Arginin besitzenvergleichsweise lange Seiten-ketten, deren Endgruppen beipH = 7 positiv geladen sind. Lysinwird von einer primären Amino-gruppe, Arginin von einer
pKa = 12.5
gruppe, Arginin von einerGuanidiniumgruppe abgeschlossen.Histidin enthält eine Imidazol-gruppe, einen aromatischen Ring,der ebenfalls positiv geladen seinkann.
pKa = 6
AS mit Carboxylaten undCarboxamiden in der Seitenkette
COOH
H2N H
CH2
COOH
COOH
H2N H
CH2
CONH2
COOH
H2N H
CH2
CH2
CONH2
Ionisierbare Gruppen
In Polypeptidketten istder pKa-Wert der Amino-säureseitenketten rele-vant. Am N- bzw. am C-Terminus sind natürlichTerminus sind natürlichauch die basischeAminogruppe und diesaure Carboxylgrupperelevant.
Die Kurzschreibweise der AS
Primärstruktur: Peptidbindungenverknüpfen die AS zu Polypeptidketten
Die Amidgruppe entsteht durch Kondensation der Aminogruppe einer-Aminosäure mit der Carboxylgruppe einer andern.
Umsetzung von Aminen mitCarbonsäuren zu Carbonsäureamiden
Diese Reaktion ist der Bildung von Carbonsäureestern aus Carbonsäurenund Alkoholen sehr ähnlich. Wegen der Säure-Base Reaktion der Amino-gruppe, die natürlich spontan stattfindet, läuft die Bildung der Amide nursehr langsam ab; zudem muss noch das Wasser aus dem Gleichgewichtentfernt werden (wie bei der Bildung von Estern).
In der Biochemie ist die Bildung von Amiden ein absolut essentiellerVorgang bei der Proteinsynthese. Da diese sehr schnell ablaufen muss,wird die Carboxygruppe in eine viel reaktivere Form überführt (Aminoacyl-AMP), die dann in einer exothermen Reaktion zu Amiden umgesetzt wird.
Biochemische Umsetzung von zweiAminosäuren zu einem Dipeptid
+ ATPOAMP
C
O
H3N
R H
+ PPi
+ N
C
O
H3N
R H H
COH
O
H R'
+ AMP
Biochemische Umsetzung von zweiAminosäuren zu einem Dipeptid
ATP
ein Aminoacyl-AMP
Aminosäuresequenzen haben eineRichtung: Beispiel Pentapeptid
Doppelbindungscharakter derPeptidbindung
daher liegen alle Atome zwischen denbeiden -C-Atome in einer Ebene
Übung Aminosäuren
1. Zeichnen und beschriften Sie die stereochemische Struktur von L-Threonin. Geben Sie an, ob R- oder S-Konfiguration vorliegt.
2. Das Tripeptid Glutathion (-Glu-Cys-Gly) übernimmt in vielenOrganismen eine Schutzfunktion, indem es toxische Peroxideabbaut, die während des oxidativen Stoffwechsels erzeugtwerden. Zeichnen Sie die chemische Strukturformel vonwerden. Zeichnen Sie die chemische Strukturformel vonGlutathion. Beachten Sie dabei: das Symbol weist darauf hin,dass die Peptidbindung zwischen Glu und Cys zwischen der -Carboxylgruppe von Glu und der Aminogruppe von Cys besteht.
3. Alle L-Aminosäuren verfügen über eine absolute S-Konfiguration.Die einzige Ausnahme macht L-Cystein, das in R-Konfigurationvorliegt. Erklärung!
Sekundärstrukuren
Polypetidketten können sich zu regelmässigen Strukturenwie -Helix, -Faltblatt, Kehren und Schleifen falten
-Helix
In einer -Helix (Linus Pauling, 1951) windet sich die Polypeptid-kette in einer rechts drehenden Spirale auf der Ebene einesvirtuellen Zylinders. Dabei hat eine Windung die Länge von0.54 nm und pro Windung sind 3.6 Aminosäuren untergebracht.Diese Strukturen werden durch H-Brücken zwischen den NH-und den CO-Gruppen der Polypeptidkette zusammengehalten,und den CO-Gruppen der Polypeptidkette zusammengehalten,wobei die H-Brücken auf der Ebene des virtuellen Zylindersliegen und ungefähr parallel zur Längsachse der Helix ausge-richtet sind. Durch die Torsion der Polypeptidkette entlangder Helix kommen die Aminosäureseitenketten nach aussen zuliegen. Im Innern der Helix kommen sich die Atome der Poly-peptidkette auf van der Waals-Radien nahe. Die mittlere Längeeiner -Helix beträgt 3-4 Windungen.
Struktur der -Helix
Wasserstoffbrücken der -Helix
Übereinanderliegende Atome in einer -Helix, die überH-Brücken zusammengehalten werden
Eine -Helix bestehend aus 3-4 Windungen wird durchungefähr 10 H Brücken zusammengehalten (entspricht inetwa der Stärke einer C-C Bindung)
Schematische Darstellung der -Helix
Myoglobin aus -Helices und random coilaufgebautes Polypetid (Tertiärstruktur =räumliche Auffaltung der Sekundärstrukturen
Struktur eines -Stranges
Die Seitenketten (grün) liegen abwechselndober- und unterhalb des Stranges
Antiparalleles -Faltblatt
Wie in -Helix auch hier H-Brücken nur zwischenAtomen, die an Peptidbindung beteiligt sind
Paralleles -Faltblatt
Schematische Darstellung von -Strängen
In schematischen Darstellungen werden -Stränge in der Regel alsbreite Pfeile gezeichnet, die in Richtung des carboxyterminalen Endeweisen, um den Typ des gebildeten Faltblatts - parallel oder antiparallel- deutlich zu machen
Ein Protein, das mehrheitlich auseinem -Faltblatt besteht
Kehren und Schleifen
Die meisten Proteine haben eine kompakte globuläreGestalt, was häufige Richtungsänderungen im Verlauf ihrerPolypeptidketten voraussetzt. Viele dieserRichtungswechsel kommen durch ein allgemeinesStrukturprinzip zustande: eine so genannte (-)Kehre oderStrukturprinzip zustande: eine so genannte (-)Kehre oderHaarnadelkehre (reverse, bzw. -turn oder hairpin bend).Bei vielen dieser Kehren ist die CO-Gruppe eines Restes iinnerhalb des Polypeptids über eine Wasserstoffbrücke mitder NH-Gruppe des Restes i + 3 verknüpft
Struktur einer Kehre
Tertiärstruktur eines Polypetids
Anordnung der Sekundärstrukturen im Raum zueinem komplexen Gebilde
Welche Kräfte spielen dabei eine Rolle?
• Hydrophober Effekt• Schwefelbrücken• Salzbrücken• Wasserstoffbrücken
Verteilung der AS in Myoglobin
Oberfläche Querschnitt
Gelb: Hydrophobe AminosäurenBlau: Hydrophile Aminosäuren
“Umgestülpte” AS Verteilung im Porin
Quervernetzung durch Schwefelbrücken
Die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinresten isteine Oxidationsreaktion
Stabilisierung der Tertiär- undQuartärstruktur in Rinderinsulin
Quartärstruktur
Anordnung getrennter Polypetidketten (Untereinheiten eines Proteins) zueinem funktionellen Protein
Das Cro-Protein (DNA-bindend) des Bakteriophagen ist ein Dimer
Das 22-Tetramer desmenschlichen Hämoglobins
Komplexe Quartärstruktur
Die Hülle des Rhinovirusbesteht aus je 60 Kopienvon vier verschiedenenUntereinheiten. Nebenaneine schematischeDarstellung, in der die dreiUntereinheiten (rot, blau,Untereinheiten (rot, blau,grün) wiedergegeben sind,die an der Aussenseitedes Virus sichtbar sind.
Die Aminosäuresequenz einesProteins legt dessen dreidimesionaleStruktur fest
Experimente mitRinder-Ribonuklease
Ein einzelner Polypetidstrangmit vier Disulfidbrücken
Reduktion der Disulfidbrücken mitMercaptoethanol
...und Denaturierung mit Harnstoff
Harnstoff vermag nicht-kovalente Verbindungen äusserstwirksam zu zerstören
Sequenz bestimmt Struktur
Die denaturierte und mittels Dialyse von Harnstoff undMercaptoethanol befreite Ribonuklease hat ihreenzymatische Aktivität allmählich wiedergewonnen.
Sequenz bestimmt Struktur
Anderes Resultat, wenn man reoxidiert ohne denHarnstoff zu entfernen: Die Disulfidbrücken werdenfalsch gebildet (105 Möglichkeiten vier Disulfidbrückenzu bilden aus 8 Cysteinen)