Dreidimensionale Struktur von Proteinen (Voet Kapitel 7)

1. Sekundärstruktur2. Faserproteine3. Globuläre Proteine4. Protein Stabilisierung5. Quartärstruktur

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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:

KeratinSeidenfibroinKollagenElastin

Faserproteine kristallisieren selten, assoziieren zuFasern (weniger geordnet als Kristalle)Röntgenstruktur nur wenige verschwommene ge-schwärtzte Stellen, wenig strukturelle Information

Röntgenstruktur einerSeidenfaser

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A. Keratin - Eine Helix aus Helices

Keratin = -reaktionsträges Protein -Hauptbestandteil der epidermalen

Hornschicht und Anhangsgebilde (Haar, Horn, Nägel, Federn)

Säuger α−KeratinVögel β−Keratin

Hierarchisch gegliederter Aufbau:

Beispiel Haar (α−Keratin) aus abgestorbenenZellen gefüllt mit Makrofibrillen (200 nm Durchmesser)Makrofibrillen sind wiederum aus Mikrofibrillen(8 nm Durchmesser) aufgebaut.

20 µm

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8 nm

2 nm

2 versetzte anti-parallele Reihen von coiled coils

2 α−Helices um-schlingen einanderparallel zu einemlinksgängigen coiledcoil

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- 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 Windungwas ein gegenseitiges Verdrehender Helices bewirkt und die Dimerisierung zusätzlich stabilisiert

Keratin viel Cys, SH Gruppen bilden Disulfid-Bindungen zwischen Helices und Filamenten deshalb ist Keratin Wasser-unlöslich und sehr reissfest, unverdaulich. hartes Keratin viel Cys (Haar, Horn)weiches Keratin wenig Cys (Haut)Mercaptane lösen S-S Brücken Keratin wirdweich, oxidation neue Kombination von S-SBrücken = Prinzip der Dauerwelle im HaarMotten verdauen Haar, da Mercaptane in Verdauung

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B. Seidenfibroin - eine Faltblattstruktur

Insekten und Arachniden produzierenSeide die aus Faserprotein Fibroin undSericin besteht. Kokons

Cocoonase verdaut Sericin Falterkönnen schlüpfenFür Tuchseide wird Sericin mit Seifen-lösung 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 entgegen- gesetzten Seiten- Seide fest aber wenig dehnbar, biegsam wegen van derWaals Kräften- Sperrige Reste (Tyr,Val, Arg, Asp) verzerren Anordnung, mehr Dehn- barkeit aber geringere Elastizität

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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 durchintramolekulare H-Brücken

Skorbut= Vit C Mangelweniger HypverschlechterteKollagenstabilität

Hydroxylysin wird auch in Kollagen gefunden

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Polyprolin Kollagen Tripelhelix

dicht gepackt nur Gly hat Platz

linsgängigeHelix

rechtsgängigeSuperhelix

Triebkraft für Ausbildung von Tripel-helix sind hydrophobe Wechselwirkungen

Starre tripelhelixstruktur für Zugfestigkeitverantwortlich

Gegenläufige Verdrillung führt zumbesseren Auffangen von Zugkräften

Querschnitt

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Kollagen ist in Fibrillen angeordnet

Bandenförmiger Aufbau von Kollagen-Fibrillen imEM. Gestaffelte Anordnung der Kollagen-Moleküle führt zu periodisch eingekerbter Oberfläche

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.

-Kollagen unlöslich auch in LSM die H-Brücken und ion. Bindungen lösen. Grund: Intra- und intermolekulare kovalente Vernetzung (cross- links)

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Kollagen-Fibrillen sind kovalent miteinander vernetzt

oxidative Desaminierung, Aldehyde entstehen

Aldolkondensation

2 Seitenketten verknüpft

3 Seitenketten verknüpft

4 Seitenketten verknüpft

Verknüpfungen treten sind gehäuft an N- bzw. C- Terminider Kollagen Moleküle

Nicht Disulfidbindungen wie bei Keratin sondern Lys und His Seitenketten werden verknüpft

β−Aminopropionitril (in Samen von Lathyrus odoratus) inaktiviertLysyl-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.

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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

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Dreidimensionale Struktur von Proteinen (Voet Kapitel 7)

1. Sekundärstruktur2. Faserproteine3. Globuläre Proteine4. Protein Stabilisierung5. Quartärstruktur

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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. 0.15 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 Elektronendiche- verteilung

Röntgenbeugungsaufnahme eines Einkristalls vonPottwal-Myoglobin. Diffraktionsmuster ist eine Funktion der Elektronendichte des Kristalls

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Elektronendichteverteilung des Hämsbei 0.2 nm Auflösung. Ähnlichkeit mitTopographischen Höhenkurven. Je dichterdesto mehr Elektronen

Eisen hohe Elektronen-dichte

Überlagerung von Ebenen verschiedener Elektronen-dichte ergibt eine dreidimansionale Elektronendichte-verteilung.

Auflösung 0.14 nm

Myoglobin

Dreidimansionale Computer-darstellung der Elektronen-dichteverteilung des menschlichenRhinoviruses bei 0.3 nm Auflösung

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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 Elektronendichte- verteilung in Deckung zu bringen.

Elektronendichteverteilung von Diketopiperazin bei angegebener Auflösung

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Die meisten Proteine erhalten nativeKonformation in kristallinem Zustand

-Oberfläche ist mit Kristallisationslösung getränkt-katalytische Aktivität bleibt bei Enzymen erhalten

Darstellung von Proteinen

Kugel-Stab Modellecomputererzeugte Raummodelle mit nur wenigenSeitenketten mit wichtiger Funktion

Aminosäurereste vom N- zum C-Term fortlaufend nummeriert

Helices mit A bis H benannt

Pottwal-Myoglobin

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Cartoon-Darstellung von Pottwal-Myoglobin

Hämgruppe

unpolare Seitenketten

polare Seitenketten

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Strukturen von Proteinen mit weniger als 200 AS können mit NMR aufgeklärt werdenEs werden die Interproton Distanzen bestimmt. Ein NMR Peak entsteht wenn 2Protonen weniger als 5 A voneinanderentfernt sind. Mit dem Computer weden die mögliche Interaktionen zugeordnet, für eine Darstellung muss allerdingsdie Aminosäurensequenz bekannt sein.

Ges

trec

ktes

Pro

tein

mit

Prot

onen

a-d

Proton a ist5 A von d weg

Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy NMR Struktur eines 64 restigen polypeptides (Srcprotein SH3 Domäne)

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B. Tertiärstruktur

Faltung der Sekundärstrukturelemente (Helices, Faltblätter) ergibt Tertiärstruktur

Globuläre Proteine können sowohl α−Helicesals auch β−Faltblattstrukturen enthalten.

Myoglobin (siehe vorher) hat nur α−Helicesdie zu einem Knäuel angeordnet sind

Concanavalin A hat nur β−Faltblatt-strukturen die zu einem Knäuel angeordnetsind

gebundene Metallionen

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Die meisten Proteine haben α−Helices und β−Faltblätter(durchschnittlich ca. 27%α−Helix und 23% β−Faltblatt)

Humane Carboanhydrase eines der wenigen Proteinedas in der nativen Form am C-Term einen Knoten bildet

Zn 2+

Histidin-Seitenketten

Knoten

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Innenseite apolar

verbindet 2 Helices

Aufsicht der Helix

Myoglobin Pottwal

Seitenkettenplatzierung variiertmit Polarität:1. unpolare Reste (Val, Leu, Ile, Met, Phe) vorwiegend im Inneren2. geladene Reste (Arg, His, Lys, Asp Glu) vorwiegend an Oberfläche wenn im Inneren chem. Funktion3. ungeladene polare Reste (Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr, Trp) an Oberfläche, im Inneren H-Brücken Bildung

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Grosse Polypeptide bilden Domänen

Polypeptidkette aus mehr als 200AS

Domänen = globuläre Gruppen

Domänen sind strukturell unabhängigeEinheiten

Verbunden durch Polypeptidkette (flexibel)

Domänen haben oft spezifische Funktionz.B. Bindung von kleinen Molekülen

Bindung oft an Spaltstelle zwischen Domänen Verknüpfung zwischen Domänen biegsam flexible Wechsel-wirkung zu Molekül

Proteasen schneidenoft hier

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Supersekundärstrukturen beeinflussen Struktur und Funktion

βαβ−Einheit

β−Mäander

αα−Einheit

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Ausgedehnte β−Faltblattstrukturen rollen sichoft auf und bilden β−Faßstrukturen

Rechts ein vergleich von β−Faßstrukturen mitgeometrischen Motiven auf Keramik undWeberei

Rubredoxin zeigt verbundene β−Mäander

Präalbumin

Triosephosphat isomerase

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βαβαβ−Einheiten sind oft Nucleotid-Bindungsstellen

Coenzym-Bindende Domäne vonDehydrogenasen (idealisiert). Aus2 nucleotid bindenden Faltungs-einheiten (gelb und blau).

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