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Nanotechnologie der Biomoleküle

Aminosäuren und Proteine:

Bausteine der Biologie und der Bionanotechnologie

Aufbau

Struktur

Funktion

Das Miller-Urey-Experiment (auch Urey-Miller-Experiment oder Miller-Experiment) dient der Bestätigung der Hypothese, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre eine Entstehung organischer Moleküle, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, möglich ist.Stanley Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago eine hypothetische frühe Erdatmosphäre. Das Experiment beschrieb er in seiner Veröffentlichung: Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen einer einfachen Erde.Im Miller-Urey-Experiment mischt man einfache chemische Substanzen einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre – Wasser (H2O), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Wasserstoff (H2) – und setzt diese Mischung elektrischen Entladungen aus, welche die Energiezufuhr durch Gewitterblitze nachbilden sollen. Dabei entstehen nach einer gewissen Zeit organische Moleküle. Die Analyse des entstehenden Molekülgemisches wurde mittels Chromatographie durchgeführt.

Zunächst entstehen aus den Ausgangsstoffen Aldehyde (R-CHO) und Blausäure(Cyanwasserstoff HCN) als erste Zwischenprodukte.In einer darauf folgenden Mehrstufenreaktion reagieren die Aldehyde mit Ammoniak als Katalysator zu Aminosäuren:

H2N-CHR-COOH→R-CHO + HCN + H2O

So entsteht aus dem Aldehyd Methanal (H2C=O) die Aminosäure Glycin, aus Ethanal (CH3-CHO) entsteht Alanin.

HO-CHR-COOH + NH3→R-CHO + HCN + 2 H2O

Aus Methanal entsteht die Glykolsäure (α-Hydroxy-ethansäure), aus Ethanaldie Milchsäure (α-Hydroxy-propansäure) und aus Propanal (CH3-CH2-CHO) die α-Hydroxybuttersäure.

Proteine sind die eigentlichen "Arbeitstiere" der Zelle.Beispiele: Enzyme, Strukturproteine,

Regulatoren der Genexpression

Viele Proteine bestehen aus 20 Aminosäuren(= proteinogene AS)alle enthalten: 1 Aminogruppe

1 Carboxylgruppe

Proteine

- Standard Einheit eines Proteins: kDa (kilo Dalton)

- 1 Wasserstoffatom entspricht 1 Da

- 1 Kohlenstoffatom entspricht 12 Da

- Durchschnittliches Gewicht einer Aminosäure

110 Da

- ein Polypeptidschwanz besteht aus etwa 1000

Aminosäuren wiegt ungefähr 110000 Da (110 kDa)

Einheit und Gewichte von Proteinen

Chemischer Aufbau von Aminosäuren:

H3+N C COO-

CarboxylgruppeAminogruppe α

Primärstruktur: Aminosäuren

kann sehr unterschiedlich sein:hydrophob A, L, I, V, M, C, W, F, Phydrophil D, E, K, R, Hgroß W, Rklein G, A, Ssauer D, Ebasisch K, R, Haromatisch W, F, Ypolar S, T, Y, N, Q

Aminosäuren

A Alanin M MethioninC Cystein N AsparaginD Asparaginsäure P ProlinE Glutaminsäure Q GlutaminF Phenylalanin R ArgininG Glycin S SerinH Histidin T ThreoninI Isoleucin V ValinK Lysin W TryptophanL Leucin Y Tyrosin

Aminosäuren

Verknüpfung von Aminosäuren

• Die Peptidbindung liegt in einer Ebene, sie hat partiellen Doppelbindungscharakter.

• Freie Drehbarkeit ist nur um die Cα-Atome möglich!

(kovalente Bindung)

KondensationsReaktion

Polypeptidschwanz

ÜberrestEin kurzer Polypeptidschwanz wird kurz als Peptid bezeichnet

Peptid-Rückrad

Polypeptidschwänze besitzen eine Orientierung

Organische Strukturen

• PrimärstrukturSequenz (Abfolge) der Aminosäuren eines Proteins

• SekundärstrukturFaltung einer Polypeptidkette

• TertiärstrukturFaltung in komplexe, dreidimensionale Strukturen

• QuartärstrukturOrganisation mehrerer Proteine in einem Komplex höherer Ordnung

Struktur von Proteinen

Es gibt drei besonders wichtige Sekundärstrukturen: α-Helix:

Das O-Atom der Carboxylgruppe in der Polypeptidkette geht eine H-Brückenbindung mit dem H der Aminogruppe der 4. folgenden Aminosäure ein (daher: 3.6 AS pro Drehung).

β-Faltblatt:H-Brücken verlaufen zwischen zwei benachbarten Polypeptidketten.

• Loops and turns

Struktur von Proteinen

• Gründer der Forschung an biologischen Strukturen

• Begin der Forschung an Proteinen nach 1930

• 1951 erste Voraussagen zur Existenz der α-Helix & β-Faltfäche

Linus Pauling & Robert Corey

α-Helix:

• Das Rückgrat der Helix beschreibt eine schraubenartige

Windung.

• Die Geometrie der Helix ist durch

H-Brücken stark stabilisiert.

• Die Seitenketten zeigen vom Zylinder nach außen.

Sekundärstrukturen von Proteinen

α-Helix: "Rückgrat"

Sekundärstruktur von Proteinen

[2][3]

[4][5]

"Rückgrat"einzelne AS

[2][3]

[4][5]

"Rückgrat"+ CO

[2][3]

[4][5]

"Rückgrat"+ CO + NH

[2][3]

[4][5]

"Rückgrat"+ CO + NH+ H-Brücken

[2][3]

[4][5]

"Rückgrat"+ CO + NH+ H-Brücken+ Reste

Pauling und Corey zeigten, dass die Struktur durchWasserstoff-Bindungen stabilisiert werden

Warum bildet sich eine α-Helix?

Wasserstoff-Bindungensind instabil im Vergleichzu kovalenten Bindungen

H--------O ~1-3 kcal/mol

H-O ~100 kcal/mol

Wasserstoff-Brückenbindungen

Jedes “Wasserstoff-Ende” einer Aminosäure bindetan ein Sauerstoffatom, welches vier Aminosäurenweit entfernt ist.

Wasserstoff-Brückenbindungen

3.6 Aminosäuren/Umfang

Sekundästruktur: α-Helix

• im zick-zack verlaufende Kette

• mind. 2 derartige Ketten liegen nebeneinander und

zwischen ihnen verlaufen H-Brücken

• die Reste ragen aus der dadurch gebildeten Ebene nach

oben und unten

ß-Faltblatt

CαCα

"Rückgrat"

CαCα

ß-Faltblatt

CαCα

"Rückgrat"

CαCα

ß-Faltblatt

CαCα

"Rückgrat"+ CO

CαCα

ß-Faltblatt

CαCα

"Rückgrat"+CO, +NH

CαCα

ß-Faltblatt

CαCα

"Rückgrat"+CO, +NH+ H-Brücken

ß-Faltblatt

β-Faltblatt:

Seitenansicht

Sekundärstruktur: ß-Faltblatt

• α-Helix und ß-Faltblatt sind lineareStrukturen

• Was passiert wenn ein Polypeptid eineKrümmung benötigt: Loops and Turns!

• Loops haben keine regulärenStrukturen

GrünFluoreszierendesProtein (GFP)

Sekundärstruktur: Loops & Turns

Tertiärstruktur eines Proteins

• Hydrophile Proteine finden sich in wässrigen Cytoplasmen

• Hydrophobe Proteine sind in Zellmembranen eingebettet

• Die Aussenseite eines Proteins ist hydrophob oder hydrophil

• Die Kräfte, die tertiäre Strukturen zusammen halten günden sich auf:

Wasserstoff-Bindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkung, Van der Waals

Kräfte, hydrophobe Wechselwirkung und Disulfid-Bindung

Tertiärstruktur

Stabilisierung der Ternärstruktur von Proteinen

Prionen:- BSE- KURU- Creutzfeld-Jacob- Alzheimers- Parkinson

Krankheiten durch fehlerhafte Proteinfaltung

Disulfid-Bindung

Keratin im Haar

Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung

Keratin (Haar)

Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung

Membran

Kanalproteine

Mehrere α-Helices können

sich zusammenlagern:

hydrophobe Außenseite(eingebettet in die Membran)

hydrophiles Zentrum

Kanalproteine

= geladen= hydrophob

Intaktes Molekül Schnitt durch Molekül

Tertiärstruktur

= geladen= hydrophob

Porin, einMembran-Protein

Porin, Kanalprotein

Alternierende Folge von polaren und unpolaren Aminosäuren

Porin: Nanoventil in Zellmembran für Wasser

• Einige Proteine haben mehrere Untereinheiten

• Anzahl der Untereinheiten variiert

• Untereinheiten können identisch oder

verschieden sein

Quartärstruktur

• Hemoglobin: 64.5 kDa• Besteht aus 2 α and 2 β Untereinheiten

Quartärstruktur

Kristall aus

Myoglobin

Quartärstruktur

Strukturaufklärung mit Hilfe von Röntgenbeugung

Berechnung der Valenzelektronenverteilung

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