Zusammensetzung undStruktur der Proteine

Stryer (6. Auflage) Kapitel 2

Vielfalt der Proteine

Wie kommt diese Vielfalt anProteinen zustande?

1. Peptide und Polypeptide sind Ketten aus 20verschiedenen L-Aminosäuren (Primärstruktur).

2. Sekundärstrukturen von Polypeptiden2. Sekundärstrukturen von Polypeptiden3. Tertiärstrukturen von Polypeptiden (Proteine)4. Quartärstruktur von Proteinen5. Aufbau grosser Polypeptide6. Proteinmodifikationen

Proteine bestehen aus 20verschiedenen -Aminosäuren

Die Sequenz, die Reihenfolge der Aminosäuren entspricht derPrimärstruktur. Diese bestimmt im wesentlichen die Sekundär-,Tertiär- und (wenn vorhanden) die Quartärstruktur einesProteins.

-Aminosäuren sind untereinander über Peptidbindungen-Aminosäuren sind untereinander über Peptidbindungenverknüpft und bilden Peptide, bzw. Polypeptide.

Polypeptide können Sekundärstrukturen ausbilden: z. B. -Helix, -Faltblatt und andere.

Tertiärstruktur: die Sekundärstrukturen eines wasserlöslichenPolypeptids falten zu kompakten, dreidimensionalen Strukturen,wobei im Innern apolare Aminosäurereste bevorzugt auftreten.

Die L- und D-Isomere vonAminosäuren

Die L- und D-Isomere vonAminosäuren als Fischerprojektionen

OHO OHOOHO OHO

H2N H

CH3

L-Alanin

H NH2

CH3

H2N H

CH3

H NH2

CH3

D-Alanin

In Proteinen finden sichausschliesslich L-Aminosäuren

Nahezu alle L-Aminosäuren besitzenden (S)-Chiralitätssinn nach dem Sys-tem von Cahn, Ingold und Prelog (RS-System).System).Die Anordnung der Substituenten nachabsteigender Priorität gegen den Uhr-zeigersinn steht für die S-Konfigura-tion des Chiralitätszentrums.

Ionisierungsgrad in Abhängigkeit despH-Wertes

pK1 = 2.3 pK2 = 9.7

Alanin c = 0.1 M

pKw

pH

Glycin und Alanin

AS mit aliphatischen Seitenketten

COOH

H2N H

CH2

CH

H3C CH3

COOH

H2N H

CH2

HH3C

CH3

COOH

H2N H

CH2

H2C

S

CH3

Cyclische Struktur von Prolin

COOH

HN H

Auch Prolin besitzt eine aliphatische Seitenkette, unterscheidet sichjedoch von den anderen 19 Aminosäuren dadurch, dass seine Seitenkettesowohl mit dem -Kohlenstoffatom als auch mit dem Stickstoffatomverbunden ist. Prolin beeinflusst die Architektur eines Proteins in hohemMasse, da es durch seine Ringstruktur in seiner Konformation stärkereingeschränkt wird als die anderen Aminosäuren.

AS mit aromatischen Seitenketten

COOH

H2N H

CH2

OH

COOH

H2N H

CH2

N

H

AS mit aliphatischen Hydroxylgruppen

COOH

H2N H

CH2

OH

COOH

H2N H

CH3

H OH

Cystein enthält eine Sulfhydryl- oderThiolgruppe

Basische AS

Basische AS

Lysin und Arginin besitzenvergleichsweise lange Seiten-ketten, deren Endgruppen beipH = 7 positiv geladen sind. Lysinwird von einer primären Amino-gruppe, Arginin von einer

pKa = 12.5

gruppe, Arginin von einerGuanidiniumgruppe abgeschlossen.Histidin enthält eine Imidazol-gruppe, einen aromatischen Ring,der ebenfalls positiv geladen seinkann.

pKa = 6

AS mit Carboxylaten undCarboxamiden in der Seitenkette

COOH

H2N H

CH2

COOH

COOH

H2N H

CH2

CONH2

COOH

H2N H

CH2

CH2

CONH2

Ionisierbare Gruppen

In Polypeptidketten istder pKa-Wert der Amino-säureseitenketten rele-vant. Am N- bzw. am C-Terminus sind natürlichTerminus sind natürlichauch die basischeAminogruppe und diesaure Carboxylgrupperelevant.

Die Kurzschreibweise der AS

Primärstruktur: Peptidbindungenverknüpfen die AS zu Polypeptidketten

Die Amidgruppe entsteht durch Kondensation der Aminogruppe einer-Aminosäure mit der Carboxylgruppe einer andern.

Umsetzung von Aminen mitCarbonsäuren zu Carbonsäureamiden

Diese Reaktion ist der Bildung von Carbonsäureestern aus Carbonsäurenund Alkoholen sehr ähnlich. Wegen der Säure-Base Reaktion der Amino-gruppe, die natürlich spontan stattfindet, läuft die Bildung der Amide nursehr langsam ab; zudem muss noch das Wasser aus dem Gleichgewichtentfernt werden (wie bei der Bildung von Estern).

In der Biochemie ist die Bildung von Amiden ein absolut essentiellerVorgang bei der Proteinsynthese. Da diese sehr schnell ablaufen muss,wird die Carboxygruppe in eine viel reaktivere Form überführt (Aminoacyl-AMP), die dann in einer exothermen Reaktion zu Amiden umgesetzt wird.

Biochemische Umsetzung von zweiAminosäuren zu einem Dipeptid

+ ATPOAMP

C

O

H3N

R H

+ PPi

+ N

C

O

H3N

R H H

COH

O

H R'

+ AMP

Biochemische Umsetzung von zweiAminosäuren zu einem Dipeptid

ATP

ein Aminoacyl-AMP

Aminosäuresequenzen haben eineRichtung: Beispiel Pentapeptid

Doppelbindungscharakter derPeptidbindung

daher liegen alle Atome zwischen denbeiden -C-Atome in einer Ebene

Übung Aminosäuren

1. Zeichnen und beschriften Sie die stereochemische Struktur von L-Threonin. Geben Sie an, ob R- oder S-Konfiguration vorliegt.

2. Das Tripeptid Glutathion (-Glu-Cys-Gly) übernimmt in vielenOrganismen eine Schutzfunktion, indem es toxische Peroxideabbaut, die während des oxidativen Stoffwechsels erzeugtwerden. Zeichnen Sie die chemische Strukturformel vonwerden. Zeichnen Sie die chemische Strukturformel vonGlutathion. Beachten Sie dabei: das Symbol weist darauf hin,dass die Peptidbindung zwischen Glu und Cys zwischen der -Carboxylgruppe von Glu und der Aminogruppe von Cys besteht.

3. Alle L-Aminosäuren verfügen über eine absolute S-Konfiguration.Die einzige Ausnahme macht L-Cystein, das in R-Konfigurationvorliegt. Erklärung!

Sekundärstrukuren

Polypetidketten können sich zu regelmässigen Strukturenwie -Helix, -Faltblatt, Kehren und Schleifen falten

-Helix

In einer -Helix (Linus Pauling, 1951) windet sich die Polypeptid-kette in einer rechts drehenden Spirale auf der Ebene einesvirtuellen Zylinders. Dabei hat eine Windung die Länge von0.54 nm und pro Windung sind 3.6 Aminosäuren untergebracht.Diese Strukturen werden durch H-Brücken zwischen den NH-und den CO-Gruppen der Polypeptidkette zusammengehalten,und den CO-Gruppen der Polypeptidkette zusammengehalten,wobei die H-Brücken auf der Ebene des virtuellen Zylindersliegen und ungefähr parallel zur Längsachse der Helix ausge-richtet sind. Durch die Torsion der Polypeptidkette entlangder Helix kommen die Aminosäureseitenketten nach aussen zuliegen. Im Innern der Helix kommen sich die Atome der Poly-peptidkette auf van der Waals-Radien nahe. Die mittlere Längeeiner -Helix beträgt 3-4 Windungen.

Struktur der -Helix

Wasserstoffbrücken der -Helix

Übereinanderliegende Atome in einer -Helix, die überH-Brücken zusammengehalten werden

Eine -Helix bestehend aus 3-4 Windungen wird durchungefähr 10 H Brücken zusammengehalten (entspricht inetwa der Stärke einer C-C Bindung)

Schematische Darstellung der -Helix

Myoglobin aus -Helices und random coilaufgebautes Polypetid (Tertiärstruktur =räumliche Auffaltung der Sekundärstrukturen

Struktur eines -Stranges

Die Seitenketten (grün) liegen abwechselndober- und unterhalb des Stranges

Antiparalleles -Faltblatt

Wie in -Helix auch hier H-Brücken nur zwischenAtomen, die an Peptidbindung beteiligt sind

Paralleles -Faltblatt

Schematische Darstellung von -Strängen

In schematischen Darstellungen werden -Stränge in der Regel alsbreite Pfeile gezeichnet, die in Richtung des carboxyterminalen Endeweisen, um den Typ des gebildeten Faltblatts - parallel oder antiparallel- deutlich zu machen

Ein Protein, das mehrheitlich auseinem -Faltblatt besteht

Kehren und Schleifen

Die meisten Proteine haben eine kompakte globuläreGestalt, was häufige Richtungsänderungen im Verlauf ihrerPolypeptidketten voraussetzt. Viele dieserRichtungswechsel kommen durch ein allgemeinesStrukturprinzip zustande: eine so genannte (-)Kehre oderStrukturprinzip zustande: eine so genannte (-)Kehre oderHaarnadelkehre (reverse, bzw. -turn oder hairpin bend).Bei vielen dieser Kehren ist die CO-Gruppe eines Restes iinnerhalb des Polypeptids über eine Wasserstoffbrücke mitder NH-Gruppe des Restes i + 3 verknüpft

Struktur einer Kehre

Tertiärstruktur eines Polypetids

Anordnung der Sekundärstrukturen im Raum zueinem komplexen Gebilde

Welche Kräfte spielen dabei eine Rolle?

• Hydrophober Effekt• Schwefelbrücken• Salzbrücken• Wasserstoffbrücken

Verteilung der AS in Myoglobin

Oberfläche Querschnitt

Gelb: Hydrophobe AminosäurenBlau: Hydrophile Aminosäuren

“Umgestülpte” AS Verteilung im Porin

Quervernetzung durch Schwefelbrücken

Die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinresten isteine Oxidationsreaktion

Stabilisierung der Tertiär- undQuartärstruktur in Rinderinsulin

Quartärstruktur

Anordnung getrennter Polypetidketten (Untereinheiten eines Proteins) zueinem funktionellen Protein

Das Cro-Protein (DNA-bindend) des Bakteriophagen ist ein Dimer

Das 22-Tetramer desmenschlichen Hämoglobins

Komplexe Quartärstruktur

Die Hülle des Rhinovirusbesteht aus je 60 Kopienvon vier verschiedenenUntereinheiten. Nebenaneine schematischeDarstellung, in der die dreiUntereinheiten (rot, blau,Untereinheiten (rot, blau,grün) wiedergegeben sind,die an der Aussenseitedes Virus sichtbar sind.

Die Aminosäuresequenz einesProteins legt dessen dreidimesionaleStruktur fest

Experimente mitRinder-Ribonuklease

Ein einzelner Polypetidstrangmit vier Disulfidbrücken

Reduktion der Disulfidbrücken mitMercaptoethanol

...und Denaturierung mit Harnstoff

Harnstoff vermag nicht-kovalente Verbindungen äusserstwirksam zu zerstören

Sequenz bestimmt Struktur

Die denaturierte und mittels Dialyse von Harnstoff undMercaptoethanol befreite Ribonuklease hat ihreenzymatische Aktivität allmählich wiedergewonnen.

Sequenz bestimmt Struktur

Anderes Resultat, wenn man reoxidiert ohne denHarnstoff zu entfernen: Die Disulfidbrücken werdenfalsch gebildet (105 Möglichkeiten vier Disulfidbrückenzu bilden aus 8 Cysteinen)