Dreidimensionale Struktur von Proteinen (Voet Kapitel 7)

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

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4. Protein-Stabilisierung

Proteine sind unter physiologischen Bedingungen stabil.Stabilisierungsenergie kommt von nichtkovalenten Kräften:

A. elektrostatische WechselwirkungenB. Wasserstoff-BrückenC. hydrophobe Kräfte

Proteinstruktur = Gleichgewicht von sich ausgelichenden Kräften

A. Elektrostatische Kräfte

Moleküle = Ansammlung von elektrisch geladenen PartikelnCoulomb-Gesetz:

U = k q1 q2

D rU = Anziehungskraftq1 q2 = elektrische Ladungenk = KonstanteD = Dielektrizitätskonstante Medium (=1 in Vakuum)r = Abstand zwischen Ladungen

Elektrostat. Kräfte wirken über grosseRäume schwierig Beitrag zur Stabilitätzu quantifizieren

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Ionische Wechselwirkungen sind stark, tragen aber nicht sehr zur Proteinstab. bei

Ionenpaare Salzbrücken

müssen jedoch solvatisiert werden. Solvatationsenergie ist etwa gleich wie die freieEnergie einer Ionenbrücken Bildung in nicht solvatisiertem Zustand. Netto Energieist 0. Beitrag von Ionenbrücken zur Stabilisierung von Proteinen gering.

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Dipol - Dipol - Wechselwirkungen sind schwach, tragen jedoch zur Stabilisierung bei

Nichtkovalente Anziehung zwischen elektr.neutralen Molekülen van der Waals Kräfte

Carbonyl- und Amidgruppen besitzen perma-nentes Dipolmoment = viel schwächereLadungen als Ionen. Anziehung nimmt mit r ab.

In Protein sind diese Dipole oft geordnetadditiv im Proteininneren (D niedrig) signifikante Stabilisierung

3

Diese Kräfte spielen nur bei kontaktierendenGruppen eine Rolle. Proportional zu r Bei grosser Anzahl interatomarer Kontakte wichtig zur Festlegung der Konformation

6

-0.3 kJ/mol

-9.3 kJ/mol

0.5 nm

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B. Wasserstoffbrücken-Bindungen

Donor - H . . . Akzeptor

N-H . . . O=C

H-Brücken stärker gerichtet als van derWaals Kräfte.

0.27 - 0.31 nm

-12 bis -30 kJ/mol

Protein ungefaltet, Akzeptor = Wasserd.h. Netto kein Energiegewinn gefaltet vs.ungefaltet.

Wenn Protein gefaltet würde ohne H-Brückenwürde freie Energie verloren gehen, d.h.H-Brücken bilden sich aus

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C. Hydrophobe Kräfte

Als hydrophoben Effekt bezeichnet man ein Phänomen das den Kontakt unpolarerSubstanzen mit Wasser minimiert.

Polare Lösungsmittel (DMSO, DMF) denaturieren Proteine

Orientierung von Wassermolekülen in Umgebung eines unpolaren gelösten Stoffes

Wassermoleküle überziehen unpolaren Stoffund maximieren ihre H-Brücken.

geordnete Struktur des Wassers isttreibende Kraft bei der Proteinfaltung

Solvatation von unpolaren Gruppen Verringerung des Wasservolumens

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Einschlussverbindung (Clathrat). Clathrate sind kristalline Komplexe unpolarerVerbindungen mit Wasser. Polyederkäfig bildet sich aus.

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Hydrophatie-Index = Mass für Hydrophobizität. Für jede AS anders. Negative Werte = hydrophile AS, positive Werte = hydrophobe AS

Hydrophatie-Plot des Chymotrypsinogens

externe Regionen

interne Regionen

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D. Disulfid-Bindungen (S-S)

Disulfid-Bindungen sind kovalente Bindungen welche die DreidimensionaleStruktur stabilisieren.

Cytoplasma hat reduziernden chemischen Charakter wo S-S Bindungen nicht stabilisierend wirken.

Extrazelluläre Umgebung ist oxidierend, deshalb haben Proteine die einen extrazellulären Bestimmungsort haben Disulfid-Brücken zur Stabilisierung

Im Labor werden Disulfid-Brücken mit reduzierenden Agenzien wie β−Mercaptoethanol geöffnet.

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E. Protein-Denaturierung

Native Proteinstruktur = kooperative Wechsel-wirkungen jede partielle Entfaltung desta-bilisiert Reststruktur

Temperatur beeiflusst kooperative WW starkTemp. wo Struktur zur Hälfte denaturiert=Schmelztemperatur TM. Thermophile Bakterien haben sehr hohe TM z.B. Taq Polymerase

pH-Variation ändert Ionisierung der AS (H-Brücken)

Detergenzien (z.B. Seifen) stören hydrophobe WW

wasserlösl. org. Substanzen stören hydrophobe WW (z.B. ethylenglycol, Saccharose)

optische Rotation von RNAse A als Funktionder Temperatur. Tm ist Wendepunkt der Kurve

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Einfluss von Salzen auf Proteine

Einige Salze stabilisieren andere de-stabilisieren Proteinstruktur

zum Aussalzen von Proteinen werdenvor allem stabilisierende Salze ver-wedet

Ionen die Protein-Denaturierung fördern bezeichnet man als chaotrop

Schmelztemperatur von RNAse A in Abhängig-keit von den Konzentrationen verschiedener Salze

Auch Harnstoff und das GuanidiniumIon denaturieren Proteine bei einer Konzentration von 5 M bis 10 M

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Dreidimensionale Struktur von Proteinen (Voet Kapitel 7)

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

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5. Quartärstruktur

Polypeptid-Untereinheiten können in einer spezifischen Geometrie assoziieren.Die räumliche Anordnung dieser Untereinheiten wird als Quartärstruktur bezeichent.

Vorteile: Grosse Proteine können aus untereinheiten Bausatzmässig zusammengebaut werden. Effizienter als Verlängerung der Polypeptidkette. Auf Genom die Gene der Untereinheiten verteilt. Regulationsmöglichkeit beim Aufbau von

Komplexen.

4 Unterein- heiten =Protomere

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Symmetrie in Proteinen

In oligomeren Proteinen sind Protomeresymmetrisch angeordnet

Protomere formieren sich um einen Punkt Proteine nur rotationssym-metrisch. Keine Inversions- oder Spiegel-symmetrien, sonst müssten L-AS zuD-AS werden.

z.B. Virusproteine

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Präalbumin-Dimer entlang einer zweizähligen Achse (rot). Jedes Protomer auszwei 4 strängigen β−Faltblättern. Zwei dieser Dimere assoziieren Rücken an Rückenund bilden ein Tetramer mit D2-Symmetrie.

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Elektronenmikroskopische Aufnahme von E. Coli Glutaminsynthetase (600 kD) in drei charakteristischenOrientierungen.

Aufsicht verschiedene Seitenansichten

Elektronenmikroskopie kann Hinweise auf oligomere Symmetrien geben

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Helicale Symmetrie

Einheit anden Endenleicht andereUmgebung

Umgebung für Einheiten quasiäquivalent

Viele strukturelle Proteine bildenFasern mit helicaler Symmetrie z.B. Muskel

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Bestimmung der Zusammensetzung der Untereinheiten

Hybridmoleküle liefern Information überQuartärstruktur

Lactatdehydrogenase (LDH) zwei Arten:M-Typ (Skelettmuskulatur)H-Typ (Herzmuskulatur)

wiederhohltes Einfrieren liefert 5 Isozymesichtbar durch elektrophoret. Auftrennung

Wenn Untereinheiten gleich, Veränderung einer UE durch chemische Modifikation, welche die Mobilität verändert.So wurde Quartärstruktur von E. ColiAspartat-Transcarbomoylase bestimmt

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Quartärstruktur von ATCase. Das Molekül besitzt D3-Symmetrie

Blick entlang der einzähligen Achse Blick entlang der zweizähligen Achse

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Quervernetzende Agentien stabilisieren Oligomere

Vernknüpfung zweier Lys Seitenketten

Vergleich der Protomer Massemit der Masse nach Verknüpfungergibt Anzahl Untereinheiten.

Länge des Cross-Linkers kannAufschluss über die Abständezwischen Untereinheiten geben

5C

8C

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