Enthalpie, freie Enthalpie, freie Energie

Thomas Ellinghaus &

Niklas Hoffmann

Proteinfaltung, DNA – Struktur

Enthalpie

• Energiemaß, das nur von der Wärme abhängt

• Innere Energie:∆U = ∆Q + ∆W ► - p∆V

• Lösung: Enthalpie ∆H = ∆U + ∆(pV)

• Unter isobaren Bedingungen: ∆H = ∆U + p∆V = ∆Q

Freie Enthalpie

2) in 1) einsetzen, T multiplizieren

1)

2)

Ges außen

außenaußen

S S S

QS

T

außenQ Q

3) außenT S T S Q :Isobar Q H

. : außenDef G TS

G H T S

Freie Energie

• Unter isobaren Bedingungen:

∆Q = ∆H

∆G = ∆H - T∆S

• Unter isochoren Bedingungen:

∆Q = ∆U

• ∆F = ∆U - T∆S

Freie Enthalpie

• ΔG ist Indikator, ob Reaktionen spontan ablaufen:

– ΔG < 0: exergon, Reaktion läuft spontan ab

– ΔG > 0: endergon, Reaktion läuft spontan nicht ab

Anfinsen - Experiment

• Ribonuclease A• 1) Entfaltung • 2) Erneute Faltung

Anfinsen - Experiment

• Strukturinformation muss in Protein gespeichert sein!

• Möglichkeit:

Energie in Form von ∆G!

Proteinfaltung

• Freie Enthalpie ΔG < 0

Proteinfaltung

• Kräfte bei der Proteinfaltung:

– Enthalpie• Wasserstoffbrückenbindungen• Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte)• Disulfidbrücken• Van der Waals – Wechselwirkungen

– Entropie• Hydrophober Effekt

Proteinfaltung - Enthalpie– Enthalpie

• Wasserstoffbrückenbindungen

• Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte)

• Disulfidbrücken• Van der Waals –

Wechselwirkungen

– Entropie• Hydrophober Effekt

• H – Brücken:– Stabilisieren vor allem

Sekundärstrukturen

– ΔH : Zunahme

Proteinfaltung - Enthalpie– Enthalpie

• Wasserstoffbrückenbindungen

• Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte)

• Disulfidbrücken• Van der Waals –

Wechselwirkungen

– Entropie• Hydrophober Effekt

• Ionische Wechselwirkungen

– pH – abhängig – Ladungsabhängig– Aminosäuren mit

permanenter Ladung, Lysin, Arginin, Aspartat, Glutamat

– ΔH : Zunahme

Proteinfaltung - Enthalpie– Enthalpie

• Wasserstoffbrückenbindungen

• Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte)

• Disulfidbrücken• Van der Waals –

Wechselwirkungen

– Entropie• Hydrophober Effekt

• Disulfidbrücken

– Stabilisieren Faltungen– Kovalente Bindungen– Immunoglobulin G

– ΔH : Zunahme

Proteinfaltung - Enthalpie– Enthalpie

• Wasserstoffbrückenbindungen

• Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte)

• Disulfidbrücken• Van der Waals –

Wechselwirkungen

– Entropie• Hydrophober Effekt

• Van der Waals – Kräfte:

– Dispersionskräfte, zB. Unpolare Reste von Aminosäuren

– Permanente Dipole, zB. Peptidbindung

– Dipol / induzierter Dipol, zB. Aromaten

– ΔH : Zunahme

Proteinfaltung

• Enthalpie

– Wasserstoffbrückenbindungen

– Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte)

– Disulfidbrücken– Van der Waals –

Wechselwirkungen

Entropie ?

Proteinfaltung - Entropie

• Primärstruktur: Hohe Entropie• Tertiärstruktur: Niedrige Entropie• Trotzdem Faltung….

– Hydrophober Effekt

• Beispiel Langkettiges Kohlenhydrat

Proteinfaltung - Entropie

• Lipid in Wasser: Bildet schnell einen großen Tropfen

• Wasser bildet Hydratkäfig um unpolare Substanzen

Proteinfaltung - Entropie

• Zusammenlagerung dieser Reste reduziert die Anzahl an Wassermolekülen, die an der Käfigbildung beteiligt sind

• Entropiegewinn des Wassers

Fetttropfen sind aus Sicht des Wassers entropisch günstiger als Einzellipide

→

Proteinfaltung - Entropie

• Polypeptidkette:– Großer Entropieverlust

durch Faltung

• Wasser– Kleiner

Entropiegewinn durch Faltung

Energetische BetrachtungRel. ΔG

Entropieverlust

Enthalpiegewinn

Entropiegewinn

∆G = ∆H - T∆S

DNA

• Doppelstrang-Helix

• Warum diese Form?

• Struktur: Helix besteht aus

1. Phosphat-/ Zucker-Rückgrat außen

2. Nukleinbasen im Zentrum

DNA-Struktur

• Warum in Form einer Helix?

– Maximierung der Abstände der

Phosphate zueinander

– Phosphate stoßen sich voneinander

ab

• Nachbarnukleotide

• quer zur Helixachse

• längs zur Helixachse

DNA-Struktur

• Nachbarnukleotide haben größten Einfluss:– Abstoßungskraft gleichartiger Ladungen

nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab• Flashback: Coulombsches Gesetz

• d.h.

1 22

0

1

4 r

q qF

r

2

1~Fr

DNA-Struktur

• Folge: Phosphate maximieren Abstanddurch Bildung kreisförmiger Struktur

• Zusätzlicher Vorteil:– polare Phosphate zeigen zum polaren Lösungsmittel

(H2O) hin

– unpolare Nukleinbasen zeigen zueinander und nach innen, werden so abgeschirmt

• ModellePauling vs. Watson und Crick

DNA-Struktur

• Bildung der Helix führt zu erheblichemΔG-Gewinn

• ΔH-Zunahme bei ΔS-Abnahme:– 1) Wasserstoff-

brückenbindungen der Basen

– 2) Basenstapelung:van-der-Waals-Kräfte, hydrophobe Wechselwirkungen

lnG RT K

1) Wasserstoff-brückenbindungen

• Paarungen haben exakt gleiche Abmessungen– → Gleichmäßigkeit

• A/T-Paar liefert 2 H-Brücken

• G/C-Paar liefert 3 H-Brücken– → ΔG-Gewinn steigt mit

G/C-Anteil

– → Energieaufwand zur Helix-Entwindung steigt mit dem G/C-Gehalt

Exkurs:Schmelztemperatur von DNA

• Denaturierung (Schmelzen, Entstapelung) von DNA-Doppelstrang benötigt Energiezufuhr

• Tm ist die Temperatur, bei der die Hälfte der Helix gespalten ist (Wärmezufuhr)

Exkurs:Schmelztemperatur von DNA

• Frage:Ist Tm von purer G/C-Helix 3/2 von Tm von purer A/T-Helix?

• Nein!– → Verhältnis ist

geringer, d.h. ΔG-Gewinn beruht auch auf zusätzlichem Faktor...

2) Basenpaarung

• noch nicht komplett erforscht

• Versuche zeigen aber, dass – freie Nukleotide stapeln

sich in Lösung nach bestimmtem Muster freiwillig

– Steigende Hydrophobizität fördert Basenstapelung

– m: MolalitätФ: osmotischer Koeffizient

DNA-Struktur

• Basenstapelung nur bei Helix-Form

• H-Brücken liefern zwar ΔH-Zunahme, sorgen

jedoch vor allem für Spezifität;

Hauptanteil durch Basenstapelung

• ΔH-Zunahme ist treibende Kraft der Helix-

Formation

Vergleich Proteine & DNA

• Gemeinsamkeit:

Ausbildung von

Superstrukturen

exergonisch

• Unterschied:

Proteinfaltung

enthalpisch und

entropisch,

Helix-Formation

enthalpisch

angetrieben

Quellen

• Biochemistry (Voet, Voet)• Biochemistry (Berg, Tymoczko, Stryer)• Methoden der Biophysikalischen Chemie

(Winter, Noll)• Physical Chemistry for the Life Sciences

(Atkins, de Paula)• The Biochemistry of Nucleic Acids

(Adams, Knowler, Leader)• Introduction to Protein Structure

(Branden, Tooze)• Vorlesungsfolien (Stehle, Ihringer, Enderlein)