2016.11.18.

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Struktur von Eiweißen, Proteinfaltung

MEDIZINISCHE PHYSIK UND STATISTIK 1.

Dr. Tamás HuberInstitut 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 Aminosäurenverbunden mit Peptidbindungen

• Aminogruppe ( Ausnahme: Prolin)• Carboxilgruppe• Die unterscheiden sich durch ihre Seitenkette (R) (unterschiedliche Grösse, Ladung,

und physikochemische Eigenschaften)

Eiweiss (Protein): Lineares Polymer: lineare Kette von Aminosäurenverbunden mit Peptidbindungen

http://www.u-helmich.de/bio/cytologie/02/021/Proteine/Proteine03-06.html

Die allgemeine Strukturformel der Aminosäuren.

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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 SeitenketteEinige 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

http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/proteine/9423

Die AS werden in der Richtung vom N-Terminus (links) zum C-Terminus (rechts) gezählt. Die Hauptkette hat einemonotone Struktur, die Variabilität ist inder Sequenz der Seitenketten.

Primärstruktur der Proteine: die Aminosäuresequenz

http://www.idn.uni-bremen.de/projects/bingo/12_1/proteine.html

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Sekundärsturktur der Proteine: sind Wasserstoffbrückenbindungen(H-Brücken) stabilisierte Bereiche der Peptidkette mit definierterKonformation.

http://www.mpg.de/483834/pressemitteilung200402171

Alfa-Helix

Acetyltransferase

• Die Alpha-Helix ist eine der am häufigstenauftretenden regelmässigenSekundärstrukturen.

• Die Polypeptidhauptkette bildet den inneren Teil des Stabes, während die Seitenketten in schraubenartiger Anordnung nach aussenweisen.

• Herausbildung: die Peptidebene drehen sichum das zentrale Kohlenatom und als Ergebnisentsteht eine helikale Struktur, die Wasserstoffbindungen stabilisieren.

• Die Wasserstoffbindungen entstehenzwischen dem N-Atom und demSauerstoffatom der Carboxilgruppe die voneinender 4 Peptidbindung entferntliegen.

• 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 Zickzacknebeneinander.

• Die Wasserstoffbrücken befinden sichsenkrecht zu der Längsachse.

Der 310 helikale Bestandteil

• 3 Aminosäure (10 Atome) pro Drehung

• Länger und schmaler alseine Alpha-Helix

• Energetisch ungünstiger alseine Alpha-Helix

• Kommt seltener vor, befindet sich eher am Endeder Helix

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Die π - Helix

• Kürzer und breiter als der kanonische Alpha-Helix

• 4.4 Aminosäre/Drehung

• Energetisch ungünstigerals 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:

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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 AS1 Kette4 Disulfidbrücken

Wie falten sich Proteine?

Ribonuklease A:

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1. Schritt: Denaturierung eines gefalteten Proteins mit Harnstoff und β-Mercaptoethanol

Native Ribonuklease Denaturierte und reduzierte RibonukleaseKeine Aktivität

2. Schritt: Renaturierung eines entfalteten Proteins

• Aktivität: 1%• Random Disulfid-Brücken

zwischen die 8 Cysteine• 105 verschiedene Möglichkeit

(7x5x3x1)

Folgerung: die Primärstrukturdefiniert die 3D Struktur.Die Faltung ist unterthermodynamischer Kontrolle: dienative 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 einerProteinlänge von n Aminosäuren 2n mögliche Faltungsvarianten.

• Ein Protein mit 100 Aminosäuren hat 2100 verschiedene Konformationen.• Würde eine Änderung der Konformation etwa 1ps benötigen, so bräuchte dieses

Protein 1010 Jahre 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.

• Damit falten in der Sequenz nahe beieinanderliegende Teile zu kleineren strukturellen Domänen, und ein Durchsuchen einer Unzahl möglicher Konformationen ist gar nicht notwendig.

• Es bedeutet dass die Faltung unter kinetischer Kontrolle steht.

Steht die Proteinfaltung unter thermodynamischer oder kinetischer Kontrolle?

In Wirklichkeit: es faltet in 1s!

Die Faltungstrichter

Frei

eEn

thal

pie

Freiheitsgrad der Konformationen

Alle Punkte der Fläche entsprechen einerKonformation des Eiweisses.

Die einzelnen Moleküle suchen den am tiefsten liegenden Punkt. Die Molekülekönnen verschiedene Streckenbewandern, während sie von der thermischen Bewegung bewegt werden.

Das globale Minimum der Flächeentspricht dem nativen Zustand des Eiweisses. Die Moleküle rutschen an der Seite des Trichters in die Richtung des globalen Minimums.

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Die Faltungstrichter

Die native Struktur steht unter thermodynamischer Kontrolle (das globale Minimum der freien Enthalpie).

Aber! Das Protein erreicht diese Struktur durch intermediäre Konformationen die sichunter kinetischer Kontrolle bilden .

„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

DANKE FÜR IHRE

AUFMERKSAMKEIT!