K. M. Arndt, 2007

Übungen zu den VorlesungenAminosäuren und Peptide

Proteine

Dr. Katja ArndtInstitut für Biologie III

http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka

Übungen zur Vorlesung Aminosäuren, Peptide, Proteine – Dr. Katja Arndt – 7.12.2007

1. Ein Peptid hat die Sequenz: S-G-N-P-T-W-F-G-G-I-Q-G-L-V-A-S.

a. Wie lautet die Sequenz in dem Dreibuchstaben Code?

b. Wieviele chirale Zentren hat dieses Peptid?

2. Ein Wasserstoffbrückennetzwerk an der Oberfläche eines Proteins verbindet mehrere Seitenketten. Die Knoten dieses Netzwerks bezeichnen die Nichtwasserstoffatome, die durch H-Brücken verbunden sind (typischerweise sind die entsprechenden interatomaren Distanzen zwischen 2.7 und 3.2 Angstrom). Einer dieser Knoten dient in eine Richtung als Wasserstoffbrückendonor und in eine andere Richtung als Akzeptor.

a. Welche Aminosäurenseitenketten haben geeignete funktionelle Gruppen zur Besetzung dieses Knotens, wobei gilt, dass diese Anordnung im pH-Bereich 2-7 stabil sein soll?

b. Wodurch, wenn nicht durch eine Seitenkette, könnte dieser Knoten in einer Proteinstrukur auch besetzt sein?

3. Die folgende Strukturformel stellt ein biologisch relevantes Peptid dar.

a. Welche Aminosäuren sind enthalten? Wie lautet die chemische Bezeichnung?

b. Was passiert in oxidierendem Medium, ergänzen Sie die Abbildung.

c. Wie ist die Gesamt-Ladung der oxidierten Form bei neutralem, saurem oder basischen pH Wert?

4. Ein globuläres Protein enthält als Teilstruktur ein antiparallelel Faltblatt aus 5 Strängen. Eine Fläche dieses Faltblatts ist an der Oberfläche, die andere ist gegen innen gerichtet und macht fast auschliesslich hydrophobe Kontakte mit anderen Teilen des Proteins.

a. Was für ein allgemeines Sequenzmuster erwarten Sie für die 5 Stränge?

b. Erwarten Sie dasselbe Muster für ein paralleles Faltblatt ?

5. Beschreiben Sie die strukturellen Merkmale einer α-helicalen Coiled-coil Struktur. Wie erklärt sich daraus das für solche Strukturen typische Sequenzmuster von Heptapeptid Wiederholungen (symbolisch: abcdefg/abcdefg/a....) mit hydrophoben Resten an Positionen a und d? Nennen Sie ein wichtiges Faserprotein das zur Haupsache aus einer solchen Struktur besteht.

Übungen zur Vorlesung Aminosäuren, Peptide, Proteine – Dr. Katja Arndt – 7.12.2007

6. Eine Aminosäuresequenz hat Glu an Position i und Arg an Position i+n. Beurteilen Sie ob eine intramolekulare Salzbrücke zwischen beiden Resten (die beiden Ladungszentren sollten sich auf 4-5 Å annähern können) unter folgenden Bedingungen möglich ist:

a. Arg an Position i+4 und beide Reste sind Teil einer α-Helix.

b. Arg an Position i+6 und beide Reste sind Teil einer α-Helix.

c. Arg an Position i+2 und beide Reste sind Teil eines β-Stranges innerhalb eines antiparallelen Faltblatts.

d. Arg an Position i+1 und beide Reste sind Teil eines β-Stranges innerhalb eines parallelen Faltblatts.

(Verwenden Sie einfache Überlegungen, keine komplizierten Rechnungen) Erklären Sie jeweils knapp Ihre Aussage zu a-d.

7. Zeichnen Sie qualitativ den Verlauf der Löslichkeit eines Proteins mit pI 7 im Bereich pH 4-10. Weshalb beeinflusst der pH Wert die Löslichkeit von Proteinen?

8. Nennen Sie zwei häufige Arten von posttranslationeller Proteinmodifikation und nennen Sie drei allgemeine Eigenschaften von Proteinen, die von solchen Modifikationen verändert werden können.

9. Die Gelfiltration wird mittels einer Eichkurve häufig dazu verwendet, das ungefähre Molekulargewicht eines Proteins oder Proteinkomplexes unter nicht denaturierenden Bedingungen zu bestimmen. Geben Sie für folgende Fälle an (in allen Fällen ist das Protein sehr gut löslich und aggregiert nicht), ob das mit dieser Methode ermittelte Molekulargewicht unter- bzw. überschätzt wird:

a. Ihr Protein hat eine stark asymmetrische Form

b. Ihr Protein haftet leicht aber reversibel an der Polymermatrix des Säulenmaterials

c. Ein größerer Teil Ihres Proteins nimmt keine definierte globulären Struktur an.

10. Sie haben folgende analytische Daten über einen gereinigten Proteinkomplex:

- SDS PAGE nicht reduzierend: 1 Bande ca 80 kD

- SDS PAGE reduzierend: 2 Banden ca 22 kDa und ca 55 kD

- Gleichgewichtszentrifugation: 1 Spezies 470 kD (rel. unabh. von Form)

- Gelfiltration: 1 Peak ca 550 kD (abh. von Form)

a. Welche Aussagen können Sie aus diesen Daten über Zusammensetzung und Bau dieses Komplexes machen?

b. Was für ein Molekulargewicht würden Sie bei der massenspektrometrischen Analyse erwarten?

11. Spielerei: Schreiben Sie Ihren Namen in Aminosäuren, zeichnen/bauen Sie ein Modell.

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1. Peptidsequenz - Chiralität

S—G—N—P—T—W—F—G—G—I—Q—G—L—V—A—SSer-Gly-Asn-Pro-Thr-Trp-Phe-Gly-Gly-Ile-Gln-Gly-Leu-Val-Ala-Ser

• Fast alle Aminosäuren haben ein chirales Cα-Atom• Ausnahme: Glycin (G)• Isoleucin (I) und Threonin (T) haben ein weiteres chirales C-Atom (4

versch. Substituenten)

16 Aminosäuren-4 Glycine1 Threonin1 Isoleucin= 14 chirale Zentren

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2. Wasserstoffbrücken

Seitenketten, die Nichtwasserstoffatome tragen, die gleichzeitig Akzeptor und Donor sein können = –OH oder –SH Gruppen

In wässriger Lösung:

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3. Tripeptid

γ-Glutamyl-Cysteinyl-Glycin

Glutathion:Tripeptid Glu-Cys-GlyThiolgruppe –SH im Cystein ist leicht oxidierbar ⇒ Disulfidbrücke zu zweitem Glutathion-Molekül unter Abspaltung von Wasserstoff =Dehydrierung.Wirkt als Redoxsystem in Blut und Muskeln.

Ladung (ox. Form:pH 1 +2pH 7 -2pH 11 -4

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4. Paralleles und antiparalleles β-Faltblatt

Paralleles Faltblatt

Antiparalleles Faltblatt

Cα

Cα

CONH

NCO

Cα

Cα

CONH

NHCO

R R

R R

alternierend hydrophobe und hydrophile Aminosäuren in parallelem UND antiparallelem Faltblatt

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5. α-Helix und Coiled-coil Struktur

Beispiele für Coiled-Coil haltige Faserproteine

α-Keratin

Tropomyosin

HydrophobeInteraktionen

(a, d)

Lösungsmittelexponiert (b, c, f)

f'

a'd'

b'c'

a d

cbf

e g

e'g'

IonischeInteraktionen

(e, g)

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6. Intramolekulare Salzbrücken

a d

cbf

e g

1

2

3

4

5

6

7

Rest i (1) und i+4 (5) liegen auf derselben

Seite der α-Helix

Rest i (1) und i+6 (7) liegen auf entgegen gesetzter Seite der α-Helix

Cα

Cα

CONH

NCO

Cα

Cα

CONH

NHCO

R R

R R

1

2

3

Rest i (1) und i+2 (3) liegen auf derselben Seite des β-Sheets

Rest i (1) und i+1 (2) liegenauf entgegen gesetzter Seite

des β-Sheets-----------

unabhängig von parallel oderantiparallel !

4

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7. Löslichkeit und pH-Wert

Lösl

ichk

eit

pH-Wert

• pH Wert bestimmt den Ladungszustand der ionisierbaren Gruppen und damit die Gesamtladung des Proteins.

• Die Löslichkeit ist stark von der Gesamtladung abhängig

geringste Löslichkeit wenn pH = pI = isolelektrischer Punkt(Gesamtladung null)

4 7 10

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8. Post-translationale Modifikation

Cofaktor-Bindung(Cytochrom c)

Koordinierung von Ionen(Ca2+ in Subtilisin)

• Struktur• Funktion (Aktivität, Spezifität, Bindung)• Löslichkeit• Stabilität

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9. Gelfiltration

Größenausschlusschromatographie / Gelfiltration

asymmetrische Form:Molekulargewicht wird überschätzt(weniger Eindringen in die Poren→ Molekül läuft schneller durch die Säule)

reversible Haftung:Molekulargewicht wird unterschätzt(→ Molekül läuft langsamer)

ungeordnete Struktur:Molekulargewicht wird überschätzt(weniger Eindringen in die Poren-> Molekül läuft schneller durch die Säule)

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Auftrennung von Proteingemischen: Gelelektrophorese

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10. Protein Analyse

1. SDS PAGE nicht reduzierend: 1 Bande ca 80 kD

2. SDS PAGE reduzierend: 2 Banden ca 22 kDa und ca 55 kD

Zwei disulfid-verbrückte Ketten von 22 kDa und 55 kDa

3. Gleichgewichtszentrifugation: 1 Spezies 470 kD (rel. unabh. von Form)

Komplex aus 6 Ketten mit 22 kDa und 6 Ketten mit 55 kDa (77×6 = 462)

4. Gelfiltration: 1 Peak ca 550 kD (abh. von Form)

Komplex ist asymmetrisch oder teilweise entfalten