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K. M. Arndt, 2007
Proteine
Dr. Katja ArndtInstitut für Biologie III
http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka
K. Arndt, 2007
Proteine
Bezeichnung Protein wurde 1838 von Jöns Jakob Berzelius aus der griechischen Sprache abgeleitetπρωτευω, proteuo, „ich nehme den ersten Platz ein“,
πρωτος, protos, „erstes“, „wichtigstes“
K. Arndt, 2007
Proteine – Dies und Das
• Titin, das größte bekannte menschliche Protein, besteht aus über 30 000 Aminosäuren und beinhaltet 320 Proteindomänen
• Anzahl möglicher unterschiedlicher Aminosäureketten gigantisch: 20 verschiedenen Aminosäuren, Kettenlänge 75 AS:→ 2075 bzw. 1097 Verknüpfungsmöglichkeiten
• Für Wirkungsweise der Proteine ist räumliche Struktur (ihre Faltung) besonders wichtig.
Titin (grün) einerHerzmuskelzelle hält andereProteine an ihrem Platz
K. Arndt, 2007
Bedeutung von Proteinen
Charakteristische Protein-Eigenschaften abhängig von:
• Auswahl der Aminosäuren in der Polypeptidkette
• Reihenfolge der Aminosäuren = Aminosäuresequenz
• Länge der dadurch gebildeten Polypeptidkette
• Räumliche Anordnung der Polypeptidkette(n) in verschiedenen Hierarchiestufen
Biologische Bedeutung von Proteinen:
• Strukturproteine sind am Aufbau von Zellen und Organellen beteiligt
• Funktionsproteine steuern wichtige Stoffwechselprozesse z.B. als Enzyme und Hormone
K. Arndt, 2007
Einteilung Proteine
ProteineProteineProteine
FaserproteineSkleroproteine
Langgestreckte und faden-förmige Polypeptidketten, oft nebeneinander angeordnet.Meist viele intermolekulare H-Brücken ⇒ starker innerer Zusammenhalt, überwiegendwasserunlöslich.
Beispiele
• Keratin: Haare, Horn, Wolle
• Kollagen: Sehnen, Knorpel
• Myosin: Muskeleiweiß
• Fibroin: Seidenfasern
FaserproteineSkleroproteine
Langgestreckte und faden-förmige Polypeptidketten, oft nebeneinander angeordnet.Meist viele intermolekulare H-Brücken ⇒ starker innerer Zusammenhalt, überwiegendwasserunlöslich.
Beispiele
• Keratin: Haare, Horn, Wolle
• Kollagen: Sehnen, Knorpel
• Myosin: Muskeleiweiß
• Fibroin: Seidenfasern
Globuläre ProteineSphäroproteine
Zusammen gefaltete, häufig kugelförmige Strukturen.Hydrophobe AS-Seitenketten ins Molekülinnere gerichtet, hydrophile Seitenketten auf der Oberfläche ⇒Ausbildung von H-Brücken mit umgebenden Wassermolekülen ⇒ gut wasserlöslich.
Beispiele
• Enzyme: Biokatalysatoren
• Hormone: Botenstoffe
• Antikörper: Immunabwehr
Globuläre ProteineSphäroproteine
Zusammen gefaltete, häufig kugelförmige Strukturen.Hydrophobe AS-Seitenketten ins Molekülinnere gerichtet, hydrophile Seitenketten auf der Oberfläche ⇒Ausbildung von H-Brücken mit umgebenden Wassermolekülen ⇒ gut wasserlöslich.
Beispiele
• Enzyme: Biokatalysatoren
• Hormone: Botenstoffe
• Antikörper: Immunabwehr
K. Arndt, 2007
Primärstruktur
Primärstruktur: Reihenfolge der Aminosäuren = Aminosäuresequenzin einem Protein.
• Da sich 20 verschiedene Aminosäuren in beliebig vielen Kombinationen zu Ketten anordnen lassen, existiert praktisch eine unerschöpfliche Vielfalt an Proteinen.
• Für ein Polypeptid aus 75 Aminosäuren existieren theoretisch 3.8 ·1097 verschiedene Sequenzen!
+H3N-Phe-Ala-Val-Ser-Asp-Gly-Ala-Thr-Leu-Lys-COO-
N-terminalesEnde
C-terminalesEnde
• Neben den Ladungen der endständigen Aminosäuren treten in den Seitenketten der sauren und alkalischen Aminosäuren bei bestimmten pH-Werten weitere Ladungen auf.
K. Arndt, 2007
Sekundärstruktur
Sekundärstruktur: sich regelmäßig wiederholende räumliche Anordnung der Proteinkette.
Es gibt zwei 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.
K. Arndt, 2007
Sekundärstrukturen: α-Helix
• Ausbildung intramolekularer Wasserstoffbrücken zwischen NH- und C=O-Gruppen hintereinander liegender Aminosäuren (i→i+4).
• Die Geometrie der Helix ist durch H-Brücken stark stabilisiert. • Das Rückgrat der Helix beschreibt eine schraubige Windung.• Die Seitenketten zeigen vom Zylinder nach außen.
3,6 Aminosäuren pro Windung
H-Brücken
K. Arndt, 2007
Sekundärstrukturen: β-Faltblatt
• Ausbildung intermolekularer Wasserstoff-brücken zwischen mindestens zwei parallel oder antiparallel liegenden Proteinketten.
• Im zick-zack verlaufende Kette• Die Reste ragen aus der gebildeten Ebene nach oben und unten
Peptidkette
Faltblatt
H-Brücke
K. Arndt, 2007
Paralleles und antiparalleles β-Faltblatt
Paralleles Faltblatt
Antiparalleles Faltblatt
CαCα
CN
N
"Rückgrat"
CCα
Cα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
Sekundärstrukturen von ProteinenSekundSekundäärstrukturen von Proteinenrstrukturen von ProteinenAntiparalleles β-Faltblatt
CαCα
CN
N
"Rückgrat"
CCα
Cα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
Sekundärstrukturen von ProteinenSekundSekundäärstrukturen von Proteinenrstrukturen von ProteinenAntiparalleles β-Faltblatt
CαCα
CN
N
"Rückgrat"+ CO
CCα
Cα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
O O
O O
O O
OO
Sekundärstrukturen von ProteinenSekundSekundäärstrukturen von Proteinenrstrukturen von ProteinenAntiparalleles β-Faltblatt
CαCα
CN
N
"Rückgrat"+CO, +NH
CCα
Cα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
O O
O O
O O
OO
H H
HH
HH
HH
Sekundärstrukturen von ProteinenSekundSekundäärstrukturen von Proteinenrstrukturen von ProteinenAntiparalleles β-Faltblatt
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
O O
O O
O O
OO
H H
HH
HH
HH
"Rückgrat"+CO, +NH+ H-Brücken
Sekundärstrukturen von ProteinenSekundSekundäärstrukturen von Proteinenrstrukturen von ProteinenAntiparalleles β-Faltblatt
Blick von der Seite
Cα
Cα
CONH
NCO
Cα
Cα
CO
NHNH
CO
R R
R R
Sekundärstrukturen von ProteinenSekundSekundäärstrukturen von Proteinenrstrukturen von ProteinenAntiparalleles β-Faltblatt
K. Arndt, 2007
Sekundärstruktur: β-Faltblätter
β-Helices werden aus β-Faltblättern gebildet (z.B. Pectat Lyase 2pec)
K. Arndt, 2007
Tertiärstruktur
= Dreidimensionale Konformation eines Proteins (globulär/fibrillär)• Zusammengehalten durch:
• Wasserstoffbrücken• Ionenbindungen• Hydrophope Bindungen im Innern des Moleküls• Disulfidbrücken
CysSS
Cys
IleCHH3CCH2
CH3
CH3
CH2
CH CH3
IleGluCOO-
NH3+
Lys
AspC
O OHH
O OC
Asp
van-der-Waals-Kräfte
Disulfidbrücke
IonenbindungWasserstoff-brücken
K. Arndt, 2007
Flexibilität
• Chemische Bindung sindflexibel bei Temperaturen>0 K
• Flexibilität variiert im Protein
• Wichtig z.B. fürEnzymaktivität
K. Arndt, 2007
Stabilisierung durch post-translationale Modifikation
Disulfidbrücke(Trypsininhibitor)
Cofaktor-Bindung(Cytochrom c) Koordinierung von Ionen
(Ca2+ in Subtilisin)
K. Arndt, 2007
Protein-Domäne
Zwei ähnlicheProteindomänen(Thioesterase)
Proteindomänen• besitzen hydrophoben Kern• falten häufig autonom und stabil• ermöglichen modularen Aufbau von Proteinen
(häufig bei Proteinen der Signaltransduktion)• ähnliche Proteindomänen können durch Genduplikation entstehen
K. Arndt, 2007
Klassifizierung von Protein-Domänen
Klassifizierung nach Sekundärstruktur-Elementen
5 Klassen:
• Alpha-Domänen: nur α -Helices
• Beta-Domänen: nur β-Sheets
• Alpha/Beta-Domänen: β-Sheets verbunden durch helikaleSegmente
• Alpha+Beta-Domänen: separate α-Helices und β-Sheets
• Vernetzte Domänen: (crosslinked domains): stabilisiert durch Disulfid-Brücken oder Metallionen
K. Arndt, 2007
Alpha-Domänen
4-Helix-Bündel(Myohemerythrin)
SauerstofftransportNukleinsäurebindungElektronentransport
Globin-Fold(Myoglobin)
Tasche aus 8 Helices,Bindung org. oder
org.metallischer Moleküle
K. Arndt, 2007
Beta-Domänen
Immunglobulin Fold(Immunglobulin A)
Antiparallele β-Sheets Jelly Roll(Bakteriochlorophyll A)Antiparallele β-Sheets
K. Arndt, 2007
Alpha/Beta-Domänen
alpha/beta Barrel(TIM barrel)
10% aller Enzymstrukturen
alpha/beta Twist(Asp Semialdehyd-Dehydrogenase)
alpha/beta Sattel(TATA bindendes Protein)
K. Arndt, 2007
Quartärstruktur
• Bei Proteinen, die aus mehr als 2 Untereinheiten bestehen• Räumliche Anordnung der Polypeptidketten
K. Arndt, 2007
Strukturebenen Proteine
Hämoglobin Primärstruktur:Aminosäuresequenz
Sekundärstruktur:α-Helix oder
Faltblattstruktur
Tertiärstruktur:Faltung im Raum
Quartärstruktur:Zusammenlagerung
mehrerer Proteinketten
K. Arndt, 2007
Kleine Änderung – große Wirkung
Punktmutation im Hämoglobin Glu6Val führt zur Sichelzell-Anämie
K. Arndt, 2007
Kleine Änderung – große Wirkung
Punktmutation im Hämoglobin Glu6Val führt zur Sichelzell-Anämie:Bildung von Polymeren durch hydrophoben Bereich auf der Oberfläche
K. Arndt, 2007
Protein Faltung
denaturiertes ProteinFaltung/
Renaturierung
natives Protein
Denaturierung
K. Arndt, 2007
• Diese “Karte” aus publizierten Interaktionsdaten rekonstruiert
• enthält 1548 Proteine, die durch 2358 Interaktionen verbunden sind.
• Proteine sind dabei anhand ihrer biologischen Funktion angefärbt:
– Proteine, die bei der Membranfusion eine Rolle spielen sind blau,
– Chromatinproteine grau, – Strukturproteine grün, – Fettstoffwechsel gelb, – Zellteilung rot.
Protein- Interaktionsnetzwerk einer Hefezelle
K. Arndt, 2007
... Gene Regulation ... Cell Signaling ... Membrane Fusion
... Viral Infection... Force Generation
... Cell Division
... Fertilization
Traf domain (1QSC)
Tropomyosin (2TMA)
SIV Gp41(1QBZ)
bZIP domain (1FOS) bHLH-ZIP domain (1NKP) Snap 25/SnareComplex (1JTH)
Kinesin MotorProtein, Ncd
(1N6M)
Coiled Coil – eine wichtige Interaktionsdomäne
K. Arndt, 2007
g7 g21 g28
e'5 e'26
d4 d11 d18 d25
a'1 a'8 a'22 a'29
N C
N Ca'15 e'19e'12
g14
heptad repeat: ( a – b – c – d – e – f – g )n
f'
a'd'
b'c'
a d
cbf
e g
e'g'
Side view Top view(from N- to C-terminus)
Helix A
Helix B
ionic interactions(e, g)
hydrophobic interactions(a, d)
solvent exposed (b, c, f)
The Coiled-Coil Motif
K. Arndt, 2007
PDB Datenbank
Sämtliche publizierte Strukturen sind in der PDB Datenbank abgelegtwww.pdb.org
K. Arndt, 2007
Programme für 3D Molekülstrukturen
Beispiele für Freeware:
Swiss pdb Viewer:
http://expasy.org/spdbv/
Pymol:
http://pymol.sourceforge.net/
K. Arndt, 2007
Enzyme - Flexibilität
Triosephosphat-Isomerase
Schleife schließt dasaktive Zentrum
offen
geschlossen
Myoglobinje heller, desto flexibler
K. Arndt, 2007
Enzyme - Flexibilität
T4 Lysozymzwei Domänen durchScharnier verbunden
Aspartat AminotransferaseSubstratbindestelle zwischen
Domänengrün offen, gelb geschlossen
K. Arndt, 2007
Aminosäure-Metabolismus
Nahrungsproteine
Aminosäure-Pool
Proteine, Enzymeandere N-haltige
Substanzen
Kohlenstoff-Skelett NH4+
HarnstoffActeyl-CoAPyruvat,
Intermediate des Citrat-Cyclus
ATP-Produktion Glukoseoder
K. Arndt, 2007
Warum Aminostoffwechsel ?
• Aminosäuren wichtig für Protein-Biosynthese.• Zellen können Amino-Gruppe nicht vollständig zu N2 oxidieren.• Primäres Abbauprodukt ist Ammoniak (= NH3) – toxisch!
• Umwandlung in nicht-toxisches, gut wasserlösliches Molekül: Harnstoff
K. Arndt, 2007
Stoffwechsel der Aminogruppen
Glutamin
Leber (Umbau und Abbau)
Niere
Peripherie versch. ASGlutamatNH3
Glutamin
Glutamat
α-Ketoglutarat
Harnstoff
NH3
NH3
Harnstoff
COO−
|H3N+ — Cα — H
|CH2|
CH2|
H2N — C = O
Glutamin
K. Arndt, 2007
GlutamatGlutamat
α-Ketoglutarat, 2[H]
NH4+HCO3
−
NH2+ COO−
|| |C—HN—CH| |
CH2—NH CH2| |CH2 COO−
|CH2|
H—C—NH3+
|COO−
Argininosuccinat
COO−
|H3N+—Cα—H
|CH2|COO−
Aspartat
CH2—NH3+
|CH2|CH2|
H—C—NH3+
|COO−
Ornithin
NH2|C = O|
CH2—NH|CH2|CH2|
H—C—NH3+
|COO−
Citrullin
NH2+
||C—NH2|
CH2—NH|CH2|CH2|
H—C—NH3+
|COO−
Arginin
H—C—COO−
||H—C—COO−
Fumarat
H2N—C—NH2||O
Harnstoff
O||
H2N—C~ P
Carbamoyl-Phosphat
P
2 ATP
2 ADP+Pi
ATP
AMP+PPi
Mitochondrium Cytosol
Carbamoyl-phosphat-Synthetase
Ornithin-Carbamoyl-Transferase
Arginiosuccinat-Synthase
Arginase
Arginiosuccinat-Lyase