PowerPoint-Präsentation - Proteine. - Israng.ch

Proteine
Ein Protein besteht aus einer oder mehreren Polypeptidketten, die in eine spezifische
dreidimensionale Konformation gefaltet sind.
Die Funktion eines Proteins hängt von seiner spezifischen Konformation ab.

Proteine sind die molekularen Werkzeuge für
die meisten zellulären Funktionen
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Proteine: Struktur und Funktion
Ein Polypeptid ist ein Polymer aus Aminosäuren, die in bestimmter
Reihenfolge miteinander verknüpft sind.
Die Funktion eines Proteins hängt von seiner spezifischen
Konformation ab.
Die Struktur eines Proteins kann in drei beziehungsweise vier
hierarchische Ebenen unterteilt werden.
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Proteine sind aus
20 verschiedenen
Aminosäuren aufgebaut
Jede Aminosäure wird
durch ihre Seitenkette
definiert, die
von Aminosäure zu
Aminosäure variiert.
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Peptidbindung
Die Carboxyl- und die Aminogruppe benachbarter Aminosäuren gehen eine
Peptidbindung ein, wodurch lange Polymere entstehen können.
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Primärstruktur
Die Primärstruktur ist die erste Ebene und beschreibt die
einzigartige Aminosäureabfolge des Proteins.
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Änderung der Primärstruktur: Sichelzellanämie
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Die Sekundärstruktur
beschreibt, wie die Primärstruktur
lokal bestimmte
Konformationen annimmt, die
α-Helix und das β-Faltblatt, die
durch Wasserstoffbrücken
zwischen den Peptidbindungen
stabilisiert werden.
Sekundärstruktur
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Tertiärstruktur
Die Tertiärstruktur beschreibt die weniger gleichmässigen räumlichen Verwindungen des
Moleküls, die durch die Beteiligung von Seitenketten an hydrophoben Wechselwirkungen
(van-der-Waals-Kräften), Wasserstoffbrücken, Ionenbindungen und Disulfidbrücken
zustande kommen.
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Quartärstruktur
Auf dieser Strukturebene assoziieren zwei oder mehr Polypeptiduntereinheiten zu
einem funktionsfähigen Protein.
zu a) Kollagen ist ein Faserprotein, das aus drei helikalen Polypeptiden besteht, die zu
einer seilähnlichen Struktur von großer Stärke superspiralisiert sind. Es macht 40
Prozent des Proteins im menschlichen Körper aus und festigt das Bindegewebe in
unserer Haut, unseren Knochen, Bändern, Sehnen und anderen Körperteilen.
zu b) Hämoglobin ist ein globuläres Protein aus vier Untereinheiten: zwei α-Ketten
und zwei etwas anders aufgebaute β-Ketten.
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Verschiedene Faktoren beeinflussen die
Proteinkonformation
Die Struktur und Funktion eines Proteins reagieren empfindlich auf
Milieubedingungen wie den pH-Wert, die Salzkonzentration und die
Temperatur. Veränderungen dieser Bedingungen können zur Veränderung
der Proteingestalt bis hin zur Denaturierung führen.
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Bestimmung der 3D-Struktur von Proteinen
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Das Proteinfaltungsproblem:
Methoden zur Bestimmung höherer Strukturen
• Entdeckung der Kernresonanz durch US-
Amerikaner Felix Bloch und Edward M. Purcell
(Physik-Nobelpreis 1952)
• Beiträge zur hochauflösenden Kernresonanz-Spektroskopie
durch
Richard Ernst (Chemie-Nobelpreis 1991)
• Entschlüsselung der 3D-Struktur
grosser Biomoleküle mittels Kernresonanz
durch Kurt Wüthrich
(Chemie-Nobelpreis 2002)
• 2003: Vierter Nobelpreis auf dem Gebiet der
Kernresonanz: Medizin-Nobelpreis für Paul
Lauterbur und Peter Mansfield
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Hämoglobin: ein allosterisches Protein
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Hämoglobin besteht aus vier Polypeptidketten
Hämoglobinmodell: Die α-Ketten sind gelb, die ß-
Ketten blau und die Hämgruppen rot dargestellt.
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Die Hämoglobinuntereinheiten ähneln in ihrer
dreidimensionalen Struktur stark dem Myoglobin
Vergleich der Konformationen der Myoglobinhauptkette und der ß-Kette von
Hämoglobin. Die Ähnlichkeit ist offensichtlich.
Vergleich der Aminosäuresequenzen des Pottwalmyoglobins sowie
der α- und ß-Ketten von menschlichem Hämoglobin für die Reste
F1 bis F9. Die Aminosäuresequenzen dieser drei Polypeptidketten
gleichen sich weit weniger als ihre dreidimensionalen Strukturen.
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Myoglobin hat eine kompakte Struktur
und einen hohen α-Helix-Anteil
Modell des Myoglobins bei hoher Auflösung. Nur
die Kohlenstoffatome sind dargestellt. Die
Hämgruppe ist rot wiedergegeben, zwei wichtige
Histidinreste grün.
Dieses Kalottenmodell des Myoglobins zeigt die
dichte Packung von Aminosäureresten im
Inneren des Moleküls. Die Hämgruppe ist rot
dargestellt, das proximale Histidin (F8) blau,
das distale Histidin (E7) grün und unpolare
Reste gelb.
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Die prosthetische Gruppe, die den
Sauerstoff bindet, ist das Häm
Das Häm setzt sich aus einem organischen Teil und einem Eisenatom zusammen. Der organische Teil, das
Protoporphyrin, besteht aus vier Pyrrolringen, die durch Methinbrücken zu einem Tetrapyrrolsystem verknüpft
sind. Vier Methyl-. zwei Vinyl- und zwei Propionatseitenketten hängen an diesem Tetrapyrrolsystem.
Das Eisenatom im Häm ist an die vier Stickstoffatome im Zentrum des Protoporphyrinringes gebunden.
Es kann darüber hinaus zwei weitere Bindungen eingehen, die beidseitig senkrecht auf der Hämebene stehen:
diese Bindungsstellen bezeichnet man als fünfte und sechste Koordinationsstelle.
Modell der Hämgruppe des
Myoglobins. (Gelb steht für
Eisen, Blau für Stickstoff, Rot
für Sauerstoff und Schwarz
für Kohlenstoff.)
Das Eisenatom kann sechs
Bindungen eingehen
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Die Umgebung der Hämgruppe ist für die
reversible Oxygenierung unerlässlich
Modell der Sauerstoffbindungsstelle des Myoglobins mit
der Hämgruppe, dem proximalen Histidin (F8) und dem
distalen Histidin (E7)
Schematische Darstellung des
Sauerstoffbindungszentrums im Myoglobin.
Zur Hämebene hin abgewinkelte
Orientierung des gebundenen Sauerstoffs
im Oxymyoglobin. Der Winkel zwischen der
O 2 Achse und der Fe-O-Bindung beträgt
121°.
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Sauerstoffdissoziationskurven des Hämoglobins
Dies ist die Dissoziationskurve des Hämoglobins bei 37°C und pH 7,4. Die Kurve zeigt die prozentuale
Sättigung des Hämoglobins mit Sauerstoff, wenn das Protein sich in einer künstlichen Pufferlösung
befindet, deren Sauerstoffpartialdruck (PO2 ) sich kontinuierlich verändert. Bei einem PO2 von 100 mm
Hg, wie er typischerweise in der Lunge herrscht, ist das Hämoglobin zu etwa 98% mit Sauerstoff
gesättigt. Bei einem PO2 von 40 mm Hg, was der üblichen Situation im Bereich von Körpergeweben
entspricht, ist das Hämoglobin nur zu 70% gesättigt; es gibt in dieser Situation somit 28% seines
Sauerstoffs ab. Seinen übrigen Sauerstoff (die sogenannte venöse Reserve) kann es in besonders
stoffwechselaktiven Geweben freisetzen, etwa in schwer arbeitenden Muskeln.
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H + und CO 2 fördern die Freisetzung von Sauerstoff (Bohr Effekt)
Protonen beeinflussen die Konformation des Hämoglobins, und dadurch verschiebt ein sinkender PH-Wert die
Dissoziationskurve nach rechts. Wie Sie sehen, gibt das Hämoglobin bei gleichem PO2 , beispielsweise 40 mm
Hg, bei pH 7,2 mehr Sauerstoff ab als bei pH 7,4, dem normalen pH-Wert des menschlichen Blutes. Dies
ereignet sich in sehr aktiven Geweben, da das in der Zellatmung produzierte CO2 mit Wasser reagiert und
Kohlensäure (H2C03 ) bildet, die in H + und HC0 -
3 dissoziiert und so den pH-Wert erniedrigt. Dann setzt
Hämoglobin mehr 02 frei, welches die hohe lokale Stoffwechselaktivität unterstützt.
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Hämoglobin und Sauerstoffaffinität
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Wenn Sauerstoff bindet, ändert sich die Quartärstruktur,
da er das Eisenatom in die Porphyrinebene hineinbewegt
Konformationsänderungen, die von der
Bewegung des Eisens bei der Oxygenierung
verursacht werden. Die oxygenierte Form ist
rot dargestellt, die desoxygenierte Form blau.
Das Eisenatom bewegt sich
bei der Oxygenierung in die
Hämebene hinein. Das
proximale Histidin (F8) wird
vom Eisenatom mitgezogen
und verliert seine Neigung.
Schematische Darstellung der
Quartärstrukturänderung bei
Oxygenierung. Ein Paar von αß-
Untereinheiten verschiebt sich
gegenüber dem anderen durch eine
Rotation um 15° und eine
Translation um 0,08 nm. Die
Oxyform der verschobenen αß-
Untereinheit ist rot dargestellt, die
Desoxyform blau.
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Nach dem Sequenzmodell für allosterische
Wechselwirkungen ändert eine Untereinheit
nach der anderen ihre Konformation
Einfaches Sequenzmodell für ein tetrameres allosterisches Protein. Die Bindung eines
Liganden an eine Untereinheit verändert die Konformation eben dieser Untereinheit
von der T(Quadrat) in die R-Form (Kreis). Dieser Übergang erhöht die Affinität der
anderen Untereinheiten für den Liganden.
Das Briefmarkenanalogie des einfachen Sequenzmodells. Für
die Abtrennung der ersten Marke müssen zwei perforierte
Kanten aufgerissen werden, für die zweite und dritte aber nur
jeweils eine. Die vierte Marke ist dann frei. Nach diesem Modell
erhöht sich die Affinität des Hämoglobins für nachfolgende 0 2 -
Moleküle
.
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