Proteine

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erkennen Fremdstrukturen in Organismen und bekämpfen sie (z. B. Antikörper). Signalproteine kontrollieren physiologische Prozesse (z. B. Hormone). * Rezeptorproteine empfangen molekulare Signale und reagieren darauf. Membrankanäle und -transporter kontrollieren den Durchtritt von Substanzen durch Membranen. Speicherproteine speichern Aminosäuren für eine spätere Verwendung. Transportproteine transportieren Verbindungen innerhalb des Organismus. Proteine zur Genregulation kontrollieren die Expressionsrate eines Gens. * Motorproteine vermitteln die Bewegung von zellulären Strukturen. 60 μm Funktion: mechanische Stütze Beispiele: Keratin ist das strukturgebende Protein in Haaren, Nägeln, Hörnern, Federn und anderen Hautanhangsgebilden. Insekten und Spinnen verwenden Seidenfasern, um Kokons und Netze zu bauen. Kollagen und Elastin bilden im Bindegewebe von Tieren ein fiberartiges Maschenwerk. Rezeptorprotein Kollagen Biologie E-Phase Alle Proteine sind Polymere, die aus 20 verschiedenen Typen von Aminosäuren aufgebaut sind, wobei der prozentuale Anteil der einzelnen Aminosäuren und vor allem ihre Reihenfolge (Sequenz) für jedes Protein charakteristisch sind. Alle Proteine bestehen aus einer oder mehreren Polypeptidketten, das sind unverzweigte (lineare) Polymere von kovalent miteinander verbundenen Aminosäuren. Moleküle des Lebens: Proteine Die Größe solcher Polypeptidketten reicht von recht klein wie beim Insulin, das beim Menschen aus 51 Aminosäuren besteht und eine Molekülmasse von 5733Da (Dalton) hat, bis hin zum Muskelpro- tein Titin, das aus rund 27.000 Aminosäuren aufgebaut ist und eine Molekülmasse von ca. 3 Mio. Da besitzt. Nice to know: Die Variabilität, mit der die Aminosäuren in den Polypeptidketten angeordnet ist, d.h. ihre Aminosäuresequenz, ist die Grundlage für die große Diversität von Proteinstrukturen und Pro- teinfunktionen, denn die Sequenz bestimmt die Faltung der Kette zu einer spezifischen dreidimensi- onalen Struktur. α-C-Atom Monomere verbinden sich zu einem Makromolekül Jede Aminosäure besitzt als funktionelle Gruppen eine Carboxylgruppe sowie eine Aminogruppe, die an dasselbe Kohlenstoffatom, das a-C-Atom, gebunden sind. Am a-C-Atom befinden sich außer- dem ein Wasserstoffatom und eine Seitenkette, die mit dem Buchstaben R (für Restgruppe oder Rest) abgekürzt wird. H3N+C COO™ Carboxyl- gruppe Amino- gruppe R Seiten- kette H3N+ GER/KUN a c R COO -COOH → -COO + H* während die Aminogruppe ein Proton aufgenommen hat: -NH, + H* > -NH, Bei dem pH-Wert, der meist in lebenden Zellen herrscht (in der Regel etwa pH 7), sind sowohl die Carboxyl- als auch die Aminogruppe der Aminosäuren dissoziiert: Die Carboxylgruppe hat ein Proton abgegeben: 2 Das a-C-Atom ist asymmetrisch (außer bei der Aminosäure Glycin), da es mit vier verschie- denen Atomen oder Atom- gruppen verbunden ist. Aufgabe: Erklären Sie, welche chemischen Eigenschaften dissoziierte Ami- nosäuren zeigen. jAminosäuren sind daher gleichzeitig Säuren und Basen; solche Stoffe bezeichnet man als Ampholyte (oder auch Amphotere). Wie Sie in der Tabelle sehen, werden die 20 Aminosäuren, die in Proteinen vorkommen (die protein- ogenen Aminosäuren), aufgrund ihrer Seitenketten in Gruppen eingeteilt (siehe Abbildung Seite 3). Die Aminosäure Cystein ist z.B. ein Spezialfall. Die Seitenkette von Cystein trägt eine endständige SH- Gruppe. Diese kann mit der SH-Gruppe einer anderen Cysteinseitenkette reagieren, sodass beide oxidiert werden und zwischen ihnen eine kovalente Bindung (-S-S-) entsteht. Eine solche Bindung wird als Disulfidbrücke oder Disulfidbindung bezeichnet. Disulfidbrücken legen die räumliche Faltung einer Polypeptidkette sehr stark fest. Biologie E-Phase Die 20 in Proteinen vorkommenden (proteinogenen) Aminosäuren a Aminosäuren mit elektrisch geladener hydrophiler Seitenkette positiv Arginin (Arg, R) H H₂N-C-COO- CH₂ I CH₂ I CH₂ I NH T CNH, I NH₂ Serin (Ser, S) H H₂N-C-COO- CH₂OH CICIN I N CH₂ HI -C-C b Aminosäuren mit polarer, jedoch ungeladener Seitenkette (hydrophil) Threonin (Thr, T) Diese beiden Cysteinreste sind Teile der Polypeptidkette. H Histidin (His, H) H H₂N-C-COO- CH₂ C-NH HI H SH HS HCNH d Aminosäuren mit unpolarer hydrophober Seitenkette Isoleucin (lle, 1) Alanin (Ala, A) H H₂N-C-COO- H H₂N-C-COO- H-C-CH3 CH₂ CH3 エー CH 2H Glutamin (Gin, Q) H Tyrosin (Tyr, Y) H H₂N-C-COO- H₂N-C-Coo- H₂N-C-Coo- H₂N-C-COO- H-C-OH CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ C CH₂ HC HIGIH Asparagin (Asn, N) C H₂N -C-H Moleküle des Lebens: Proteine O Lysin (Lys, K) H H₂N-C-COO- CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ H₂C NH3 CH₂ T CH H₂N Leucin (Leu, L) H H₂N-C-COO- C CH3 Für die Aminosäuren gibt es den Drei- und den Ein-Buch- staben-Code. O sodass eine Disulfidbrücke entsteht. Methionin (Met, M) H H₂N-C-COO- CH₂ I CH₂ I S T CH₂ Die SH-Gruppen zweier Cysteinseitenketten reagieren miteinander und bilden eine kovalente Bindung zwischen den beiden Schwefelatomen, ... OH 3 Die Grund- struktur aller Aminosäuren ist gleich, ... ... aber jede trägt eine andere Seitenkette. c Spezialfälle Cystein (Cys, C) H CH₂ SH Phenylalanin (Phe, F) H H₂N-C-Coo CH₂ Asparaginsäure (Asp, D) H H₂N-C-COO- CH₂ I coo negativ Tryptophan (Trp, W) GER / KUN Glycin (Gly, G) H₂N-C-CH₂N-C-CH₂N²-C H₂N-C-COO- CH₂ C=CH NH Glutaminsäure (Glu, E) H I H₂N-C-COO- CH₂ Prolin (Pro, P) H CH₂ T COO H₂C CH₂ CH₂ Valin (Val, V) H H₂N-C-COO- H₂C CH CH3 Eine Disulfidbrücke. Zwei Cysteinmoleküle in einer Polypeptidkette können durch Oxidati- on (Entfernen von H-Atomen) eine kovalente und daher sehr feste Disulfidbrücke (-S-S-) ausbilden. Besteht ein Protein aus mehreren Polypeptidketten, ist deren Verknüpfung über eine oder mehrere Disulfidbrücken ebenfalls möglich, wenn auch nicht die Regel. Biologie E-Phase Nice to know: Die Seitenketten der Aminosäuren enthalten funktionelle Gruppen, die für die Festle- gung der dreidimensionalen Struktur und somit auch der Funktion des Proteins von grundlegender Bedeutung sind. Bei fünf Aminosäuren kann die Seitenkette elektrisch geladen sein (+1, -1). Diese Seitenketten zie- hen Wasser und entgegengesetzt geladene lonen aller Art an, sind also hydrophil. Bei vier dieser Aminosäuren liegt die Seitenkette unter physiologischen Bedingungen stets ionisiert vor. Die Aminosäure Histidin kann als einzige bei physiologischen pH-Werten ein Proton ihrer Seiten- kette im Wechsel abgeben oder aufnehmen. Sie ist daher besonders oft an Wechselwirkungsphäno- menen beteiligt. Fünf Aminosäuren tragen eine polare Seitenkette. Diese Seitenketten sind ebenfalls hydrophil und ziehen Wasser und andere polare oder geladene Substanzen an. Sieben Aminosäuren besitzen eine unpolare Seitenkette. Die Seitenketten sind daher hydrophob. Im wässrigen Milieu der Zelle können sich diese hydrophoben Seitenketten im Innenbereich des Pro- teins zusammenlagern. Vier der oben eingeordneten Aminosäuren - Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan und Histidin - tragen aromatische Ringe als Seitenkette, was ihnen besondere zusätzliche Eigenschaften verleiht. Die drei letzten Aminosäuren - Cystein, Glycin und Prolin sind Spezialfälle, wobei die Seitenketten der beiden letzteren hydrophob (unpolar) sind. Die Seitenkette von Cystein trägt eine endständige SH-Gruppe und kann daher mit der SH-Gruppe einer anderen Cysteinseitenkette reagieren, sodass beide oxidiert werden und zwischen ihnen eine kovalente Bindung (-S-S-) entsteht (Disulfidbrücke). Prolin trägt eine abgewandelte Aminogruppe, der ein Wasserstoffatom fehlt. Stattdessen bildet die- se Aminogruppe eine kovalente Bindung mit der eigenen Seitenkette aus Kohlenwasserstoffen aus, wodurch eine Ringstruktur entsteht. Das begrenzt die Möglichkeiten zur Ausbildung von Wasser- stoffbrücken und die Rotationsmöglichkeiten um das '-C-Atom. Prolin ist daher in der Proteinstruktur häufig in Biegungen oder Schleifen anzutreffen. H Peptidbindungen bilden das Rückgrat eines Proteins Bei der Polymerisation von Aminosäuren sind die Carboxyl- und die Aminogruppen, die an das a-C- Atom gebunden sind, die reaktiven Gruppen. Die Carboxylgruppe der einen Aminosäure reagiert mit der Aminogruppe einer anderen. Beide Aminosäuren durchlaufen gemeinsam eine Kondensations- reaktion; auf diese Weise entsteht eine Peptidbindung, daher werden Aminosäurepolymere auch Polypeptide genannt. H + N C H Amino- gruppe Moleküle des Lebens: Proteine H H O 1 H R N C C N-Terminus O R N H GER/KUN H H₂O R R Carboxyl- gruppe Peptidbindung H C-Terminus 4 Bildung von Peptidbindungen. Die Kon- densationsreaktion, die zur Bildung einer Peptidbindung führt, verläuft bei Lebewesen über Zwischenstufen, doch Reaktanden und Produkte sind die glei- chen wie in diesem vereinfachten Schema. Biologie E-Phase Genau wie ein Satz, der mit einem Großbuchstaben beginnt und mit einem Punkt endet, so sind auch die Polypeptidketten linear angeordnet. Der chemische ,,Großbuchstabe", der den Beginn eines Po- lypeptids markiert, ist die freie Aminogruppe der ersten Aminosäure: Sie ist der N-Terminus des Po- lypeptids. Der ,,Punkt" am Ende der Kette wird durch die freie Carboxylgruppe der letzten Aminosäu- re gebildet; diese ist der C-Terminus. N-Terminus Moleküle des Lebens: Proteine Beispiel: Das Insulin-Molekül besteht aus zwei Polypeptid-Ketten, die über Disulfidbrücken miteinan- der verbunden sind N-Terminus HN Aminosäuremonomere O Quelle: https://www.u-helmich.de/bio/cytologie/02/021/Proteine/Proteine20-22.html, 22.10.19, 12:00 Uhr. Insbesondere beeinflusst die Abfolge der einzelnen Aminosäuren, mit ihren unterschiedlichen Sei- tenketten, in der Polypeptidkette ganz entscheidend die Proteinstruktur. Die Primärstruktur eines Proteins legt alle seine Eigenschaften fest: Die Primärstruktur ist die lineare Kette aus Aminosäureresten. R COOH C-Terminus Die Primärstruktur eines Proteins ist gleich seiner Aminosäuresequenz. Die exakte Sequenz der Aminosäuren in einer Polypeptidkette, die über Peptidbindungen miteinan- der verknüpft sind, stellt die Primärstruktur des Polypeptids dar. N 5 Peptidbindung H C-Terminus GER/KUN Lys(The COOH 0 Das Rückgrat dieser Primärstruktur besteht aus einer sich wiederholenden Abfolge dreier Atome (-N-C-C-): dem Stickstoffatom aus der Aminogruppe, dem a-C-Atom und dem C-Atom der Car- boxylgruppe jeder Aminosäure. Letztlich bestimmt die Aminosäuresequenz der Polypeptidkette die endgültige Gestalt des Proteins. Die Eigenschaften der funktionellen Gruppen in den Seitenketten der Aminosäuren beeinflussen, durch welche lokalen Windungen und Faltungen ein Protein seine dreidimensionale funktionelle Raumstruktur annimmt, die es so unverwechselbar macht. Biologie E-Phase Moleküle des Lebens: Proteine a-Helix Die Sekundärstruktur eines beruht auf Wasserstoffbrücken: a-Helix und ß-Faltblatt Die Sekundärstruktur eines Proteins besteht aus regelmäßigen, sich wiederholenden Mustern in ver- schiedenen Bereichen einer Polypeptidkette. Es existieren zwei grundlegende Formen von Sekun- därstrukturen: a-Helix und ß-Faltblatt. Sie kommen beide durch Wasserstoffbrücken zwischen CO- Gruppen und NH-Gruppen des Peptidrückgrats zustande, wobei durch die Primärstruktur festgelegt ist, zwischen welchen Aminosäuren eine solche Bindung entsteht. Die Helices von Proteinen sind in der Regel rechtsgängig. Eine rechtsgängige Helix folgt in der Zeigerichtung des Dau- mens dem Verlauf der Finger der rechten Hand. GER/KUN Links und rechtsgängige Helices. Ein Protein enthält als Teil seiner Sekundärstruktur häufig eine oder mehrere rechtsgängige Helices. Die a-Helix ist eine rechtsgängige Spirale, die in derselben Richtung gewunden ist wie eine normale Holzschraube. Die Seitenket- ten ragen aus dem Peptidrückgrat der a- Helix nach außen. Die Spiralwindungen kommen durch Wasserstoffbrücken zustande, die sich zwischen dem 8* Wasserstoff-Atom der NH- Gruppe einer Aminosäure und dem & Sauerstoff-Atom der CO-Gruppe einer anderen Aminosäure bilden. Bildet sich dieses Muster der Wasserstoffbrücken wiederholt über einen Bereich des Proteins aus, wird die Spirale stabilisiert und es entsteht eine a-Helix. Sie ist mit einem festen Rohr oder Stab vergleichbar, von dem die funktionellen Gruppen seitlich abstehen. B-Faltblatt Ein B-Faltblatt besteht aus zwei oder mehr Abschnit- ten der Polypeptidkette, die fast vollständig gestreckt sind und nebeneinander liegen, weil die Kette ent- sprechend hin und hergefaltet ist. Das 3-Faltblatt wird durch Wasserstoffbrücken zwischen jeweils einer NH-Gruppe des einen B-Strangs und einer CO-Gruppe des benachbarten B-Strangs stabilisiert. Ein B-Faltblatt kann sich auch zwischen separaten Polypeptidketten ausbilden oder zwischen unter- schiedlichen Bereichen einer einzelnen Polypeptidkette, die auf sich zurückgefaltet wird. Durch Kom- bination mehrerer parallel oder antiparallel verlaufender B-Stränge können ganz unterschiedliche blatt-, wannen- oder fassförmige Gebilde entstehen. 6 Viele Proteine weisen in derselben Polypeptidkette sowohl Regionen mit a-Helices als auch mit ß- Faltblättern auf. Andere bilden nur ß-Faltblätter aus, wie das B-Keratin der Vogelfedern, oder nur a- Helices, wie das a-Keratin unserer Haare. Biologie E-Phase Moleküle des Lebens: Proteine Die Tertiärstruktur eines Proteins entsteht durch Biegung und Faltung Der Sekundärstruktur gewissermaßen überlagert ist die Tertiärstruktur des Proteins. Bei vielen Prote- inen ist die Polypeptidkette an bestimmten Stellen gebogen und gefaltet, wodurch die Tertiärstruktur des Proteins festgelegt wird. a-Helices und B-Faltblätter bilden wichtige Komponenten der Tertiärstruktur. Die zwischen den a- Helices und B-Faltblättern liegenden Bögen (turns) und Schleifen (loops) sind von erheblicher Bedeu- tung. Oft dienen hervortretende Schleifen als Kontaktzonen zu assoziierten Makromolekülen. Die Tertiärstruktur ist für jedes Protein spezifisch und macht die vollständige dreidimensionale Gestalt eines Proteins aus, die häufig durch einen geschützten und verborgenen inneren Bereich und eine von außen frei zugängliche Oberfläche charakterisiert ist. a Raummodell (Kalottenmodell) Während die Sekundärstruktur im Wesentlichen auf Wechselwirkungen der Gerüstbestandteile be- ruht, sind für die Tertiärstruktur Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten und ihrer Umgebung ausschlaggebend. Eine wirklichkeitsnahe Darstellung des Lysozyms zeigt die dichte Packung seiner Atome. b Stabmodell B-Faltblatt GER/KUN a-Helix 7 c Bändermodell B-Faltblatt a-Helix Fo Das „Rückgrat" des Lysozyms besteht aus sich wiederholen- den (repetitiven) -N-C-C-Ein- heiten der Aminosäuren. Drei Darstellungsformen von Lysozym. Die unterschiedlichen Darstellungen des Proteinmoleküls he- ben verschiedene Aspekte seiner Tertiärstruktur hervor: a die Atome mit ihrem maßstabgetreuen Durchmesser; b den räumlichen Verlauf der Polypeptidkette; c zusätzlich die '-Helices und "- Faltblätter. Das Lysozymmolekül ist in allen drei Darstellungen gleich ausgerichtet. Biologie E-Phase * Tertiärstruktur eines Proteins ergibt die gesamte Raumstruktur einer Polypeptidkette, die sich durch die Wechselwirkung aller Seitenketten (-R) der verschiedenen beteiligten Aminosäurereste ergibt Dabei spielen die folgenden Wechselwirkungen eine Rolle: * * Moleküle des Lebens: Proteine Vereinzelte kovalente Disulfidbrücken können sich zwischen bestimmten Cysteinresten bilden und ein gefaltetes Polypeptid fest zusammenhalten - wie Druckknöpfe. Wasserstoffbrücken zwischen polaren Seitenketten stabilisieren die Faltungen des Proteins ebenfalls. Ihre Gesamtzahl in einem Protein kann sehr hoch sein. -Wasserstoff- brücken- bindung Hydrophobe Seitenketten können sich im Inneren des Proteins, unter Ausschluss von Wasser, zusammenlagern und das Polypeptid dadurch falten. Van-der-Waals-Kräfte können die engen Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben Seiten- ketten elektrostatisch stabilisieren. lonenbindungen können sich zwischen positiv und negativ geladenen Seitenketten ausbilden, sodass sogenannte Salzbrücken zwischen den Aminosäuren entstehen. Salzbrücken können sich sowohl an der Peptidoberfläche als auch, entfernt von der wässrigen Umgebung, tief im Inneren eines Proteins befinden. Disulfid- brücke. Polypeptidgerüst GER/KUN CH CH₂ CH3 CH3 CH3 hydrophobe Wechselwirkungen und van-der-Waals- Wechselwirkungen lonenbindung Ein Protein faltet sich so, dass die Zahl der oben aufgeführten Wechselwirkungen möglichst hoch ist, unpassende Wechsel- wirkungen wie zwei positiv gela- dene Reste in großer räumlicher Nähe oder auch ein zum Wasser hin exponierter hydrophober Rest aber möglichst selten vor- kommen. In der Quartärstruktur eines Proteins kooperieren mehrere Untereinheiten miteinander Viele funktionelle Proteine enthalten zwei oder mehr Polypeptidketten, die dann als Untereinheiten bezeichnet werden. Jede von ihnen hat ihre eigene und einzigartige Tertiärstruktur. Die Quar- tärstruktur des Proteins resultiert aus der Art und Weise, wie diese Untereinheiten aneinander bin- den und miteinander interagieren. Im Gegensatz zu ihren asymmetrisch geformten Untereinheiten sind die meisten Quartärstrukturen sehr schön symmetrisch aufgebaut. Dabei erfolgt die Zusammenlagerung unter den richtigen Bedin- gungen spontan; sie wird als Selbstassemblierung (self assembly) bezeichnet. Auch diese Information steckt also letztlich in der Primärstruktur. 8 Ein Bespiel für ein Protein mit einer Quartärstruktur ist Hämoglobin. Das Molekül besteht aus zwei a- und zwei ß-Untereinheiten, ist also ein Tetramer. Hydrophobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals- Kräfte, Wasserstoffbrücken und lonenbindungen tragen gemeinsam zum Zusammenhalt der vier Untereinheiten und damit zur Bildung des Hämoglobinmoleküls bei. Da diese Kräfte sehr schwach sind, lassen sie leichte Veränderungen der Quartärstruktur zu und unterstützen so die Funktion des Proteins - den Transport von Sauerstoff in den Erythrocyten. Bindet das Hämoglobin ein O₂-Molekül, ändern die vier Untereinheiten ihre Konformation und damit ihre relative Stellung zueinander und verändern so die Quartärstruktur des Proteins etwas. Durch das Lösen von lonenbindungen werden verborgene Seitenketten exponiert, welche die Bindung von drei weiteren O₂-Molekülen fördern. Die Quartärstruktur ändert sich wieder zurück, wenn das Hämoglobin seine O₂-Moleküle an die Körper- zellen abgibt. Die vier Untereinheiten arbeiten also zusammen - sie kooperieren. Ebene Biologie E-Phase a Primär- struktur b Sekundär- struktur Die vier Ebenen der Proteinstruktur: Sekundär- Tertiär- und Quartärstruktur werden von den Primärstrukturen des Proteins bestimmt c Tertiär- struktur d Quartär- struktur Aminosäuremo- nomere werden zu einer Poly- peptidkette verknüpft. Beschreibung Stabilisierung Beispiel durch Polypeptidket- ten können a-Helices und B-Falt- blätter bilden. Ein Polypeptid faltet sich und nimmt eine spezifische Konformation an. Peptidbindungen Wasserstoff- brücken Wasserstoff- brücken, Disulfid- brücken,hydro- phobe Wechsel- wirkungen, lonenbindungen, Van-der Waals- Kräfte Moleküle des Lebens: Proteine Wasserstoff- brücken, Disulfid- brücken, hydro- phobe Wechsel- wirkungen, lonenbindungen, ZUSAMMENFASSUNG: Zwei oder mehr Polypeptide lagem sich als Untereinheiten zusammen und bilden größere Proteinmoleküle. Van-der Waals- Kräfte 'N B-Faltblatt Aminosäuremonomere a-Helix H Aminosäure B-Faltblatt 9 Untereinheit 1 'N Untereinheit 3 im Peptidbindung Wasserstoffbrücken a-Helix GER/KUN Wasserstoffbrücke Disulfidbrücke Untereinheit 2 Untereinheit 4 Aufgabe: Erstellen Sie mit Hilfe von Pfeifenreiniger ein Modell zu den vier Ebenen der Proteinstruktur und er- läutern Sie die Struktur und Funktion Ihres Modells anhand eines von Ihnen gewählten Beispiels. Biologie E-Phase Zur Übung: „Bestimmt die Primärstruktur die Tertiärstruktur?" Originalliteratur: Anfinsen CB et al. (1961) Proc Natl Acad Sci USA 47: 1309-1314; White F Jr (1961) JBC 236: 1353-1360 An dem Protein Ribonuclease untersuchten Christian Anfinsen und Kollegen, ob sich Proteine spon- tan falten und aus sich selbst heraus ihre korrekte, funktionelle dreidimensionale Gestalt (Konforma- tion) annehmen können. Sie gingen der Fragestellung nach, ob, solange die Primärstruktur nicht zer- stört wird, die Information zur korrekten Faltung auch nach einer Entfaltung (Denaturierung) erhal- ten bleibt und (unter geeigneten Bedingungen) eine Rückfaltung bewirken kann. Hypothese Extraktion und Auf- reinigung eines funk- tionellen Proteins, der Ribonuclease, aus Gewebe Unter kontrollierten Bedingungen, die die normale zelluläre Umgebung nachstellen, kann ein denatu- riertes Protein seine funktionelle dreidimensionale Struktur wieder annehmen. Methode 2 Zugabe von Harnstoff, der Wasserstoffbrücken und lonenbindungen zerstört, und von B-Mercaptoethanol, das Disulfidbrücken spaltet Moleküle des Lebens: Proteine langsames Ent- femen der dena- turierenden Chemi- kalien Ergebnis: Schlussfolgerung: a-Helix -B-Faltblatt Disulfid- brücke -SH-Gruppe GER/KUN MW denaturiertes Protein Eine funktionelle Ribonuclease wurde chemisch so denaturiert, dass nur die Primärstruktur des Proteins (eine ungefaltete Polypeptidkette) erhal- ten blieb. Als das Protein vollständig denaturiert war, wurden die denatu- rierenden Chemikalien entfernt. Ergebnis: Wurden die denaturierenden Chemikalien entfernt, stellte sich die dreidimensionale Struktur von selbst wieder her und das Protein erhielt seine Funktionalität zurück. 10 Schlussfolgerung: Unter normalen zellulären Bedingungen bestimmt die Primärstruktur eines Proteins, wie es sich zu einer funktionellen dreidimensionalen Struktur faltet. Biologie E-Phase Moleküle des Lebens: Proteine Welche Faktoren bestimmen die Proteinstruktur? Die charakteristische Gestalt verleiht jedem Protein seine spezielle Funktionalität. Doch was sind die entscheidenden strukturbestimmenden Faktoren? Eine Polypeptidkette mit einer gegebenen Amino- säuresequenz faltet sich spontan in eine 3D-Raumstruktur, die durch nichtkovalente Wechselwirkun- gen stabilisiert wird. Diese Faltung vollzieht sich meist schon während der Synthese des Proteins in der Zelle und sie kann durch andere Proteine befördert werden. 100) Die Struktur eines Proteins hängt entscheidend von den physikalischen und chemischen Umgebungs- faktoren ab. Der pH-Wert, die lonenstärke (Salzkonzentration) der Lösung, die Temperatur sowie weitere Umgebungsparameter sind wesentlich. Werden sie geändert, verliert das Protein seine unter diesen (physiologischen) Bedingungen native (funktionelle) Form, ein Vorgang, der als Denaturierung bezeichnet wird. Ohne ihre native Struktur sind Proteine denaturiert und biologisch inaktiv. Denaturierung normales (natives) Protein GER/KUN R$}{}} denaturiertes Protein Renaturierung Hohe Temperatur oder bestimmte Chemikalien führen zur Denaturierung von Proteinen. Der Verlust der typischen Molekülgestalt resultiert in einem Funktionsverlust. Falls das denaturierte Protein ge- löst bleibt und nicht ausfällt, kann es in manchen Fällen renaturieren, wenn das Denaturierungsmit- tel entzogen wird und das Protein zurück in seine native, physiologische Umgebung versetzt wird. Denaturierung und Re- naturierung eines Pro- teins. Viele Proteine werden denaturiert, wenn sie aus einer wässrigen Umgebung in ein hydrophobes Lö- sungsmittel wie Ether oder Chloroform überführt werden. Die Polypeptidkette faltet sich dann so um, dass die hydrophoben Bereiche in Kontakt mit dem Lösungsmittel treten. 11 Andere denaturierende Reagenzien lösen Wasserstoffbrückenbindungen oder ionische Wechselwir- kungen. Säuren und Basen wirken unter anderem denaturierend durch Protolysereaktionen. Denaturierend wirkt auch Hitze, die die Polypeptidkette derart in thermische Schwingungen versetzt, dass die Faltung kollabiert, weil die stabilisierenden schwachen Wechselwirkungen überwunden werden. Eiklar wird beim Kochen undurchsichtig und fest, weil die Proteine denaturieren, unlöslich werden (präzipitieren) und sich verfestigen. Wie viel Hitze ein Protein verträgt, ist von Fall zu Fall unterschiedlich. Die meisten Proteine denaturieren aber bei Temperaturen deutlich unter 100 °C. Biologie E-Phase OH Peptidbindungen Carboxylgruppe Primärstruktur verknüpft über Protein Unterscheidet zu räumlich angeordnet in Sekundärstruktur Tertiärstruktur -R Zusammenfassung: Proteine - Funktionsvielfalt durch Strukturvierfalt Moleküle des Lebens: Proteine H -H 12 bestehen aus Aminogruppe besteht aus Molekülrest Quartärstruktur Aminosäuren Wasserstoffatom GER / KUN Biologie E-Phase Gruppenpuzzle: Eischnee Moleküle des Lebens: Proteine Auch Eiweißschnee, ist eine schaumige Masse, die durch das Schlagen von Eiklar entsteht. Dieses besteht zu ca. 90 % aus Wasser und zu 10 % aus Prote- inen, welche dem Eiklar seine hohe Viskosität (Zähflüssigkeit) verleihen und so das Festhalten von eingebrachten Luftblasen ermöglichen. Darin liegt die große Volumenzunahme begründet. Neben der Volumenzunahme erfolgt durch das kräftige Aufschlagen aber auch eine Modifikation der darin enthal- tenen Proteine: Durch das Schlagen werden die normalerweise globulären Proteine (Tertiärstruktur) entrollt, wodurch reaktionsfreudige Gruppen frei werden, die neue Bindungen eingehen können. Sie gehen sowohl kovalente Bindungen (Elektronenpaarbindungen) innerhalb ihrer eigenen Struktur als auch Bindungen mit Nachbarproteinen ein. Auf diese Weise entstehen feste Bindungen zwischen benach- barten Proteinen, die ein sehr stabiles Netzwerk und damit eine neue Struktur ausbilden. Fragen: (1) Was ist beim Eischnee der Grund der Denaturierung? (2) Ist eine Renaturierung der Proteine des Eischnees möglich? GER/KUN Gruppenpuzzle: Die menschliche Körpertemperatur und hohes Fieber R Die durchschnittliche Temperatur des menschlichen Körpers beträgt normaler- weise, selbst bei äußerlichen Temperaturschwankungen, etwa 36,6 °C. Bei Fieber erhöht sich die Körpertemperatur, wodurch Stoffwechselvorgänge be- schleunigt werden und die Vermehrung von Bakterien und Viren gehemmt wird. Der Höchstwert, den der menschliche Körper erreichen kann, liegt zwischen 42 °C und 43 °C. Eine Temperatur über 42,6 °C ist meist tödlich. Solange das Fieber bei etwa 41°C nicht allzu lange anhält, sind die dadurch zu- stande gekommenen Veränderungen an körpereigenen Proteinen reversibel, nach etwa sechs Stun- den kann es allerdings Probleme bei der Wiederherstellung der nativen Struktur geben. Die Proteine eines Organismus erreichen ihr Aktivitätsmaximum nämlich meist bei einer Temperatur von 35° bis 40°C. Zu hohes Fieber kann Enzyme, die aus Proteinen bestehen und lebenswichtige Vorgänge im Körper steuern, zerstören, sodass die Versorgung des Körpers nicht mehr in geeignetem Maße mög- lich ist. Fragen: (1) Was ist bei hohem Fieber der Grund der Denaturierung? (2) Ist eine Renaturierung der Proteine nach dem Fieber möglich? Ab welchem Zeitpunkt ist keine Renaturierung mehr möglich? 13 Biologie E-Phase Moleküle des Lebens: Proteine Gruppenpuzzle: Das Ei in der Pfanne Wenn du ein Ei brätst oder kochst denaturiert auch hier das Eiklar und verän- dert seine Farbe. Die Struktur der Proteine im Eiklar werden verändert und damit auch deren Eigenschaften (z. B. die Farbe). Die einzelnen Atome und lonen werden durch Zuführung von Hitze so sehr ins Schwingen gebracht, dass die zwischenmolekularen Bindungen aufgelöst werden. Je nach Höhe der Temperatur (meist unter 40°C) ist die Hitzedenaturierung noch reversibel, da sich dabei meist nur die Tertiär- oder Sekundärstruktur auflösen, die teilweise GER / KUN wieder rückgängig gemacht werden können. Ab Temperaturen von über 40°C wird der Vorgang irre- versibel, da dabei die Primärstruktur (Grundbausteine) zerstört wird. Beim Kochei oder Spiegelei werden zu hohe Temperaturen benötigt (z.B. Kochei= 100°C). Der ur- sprüngliche, flüssige Zustand kann dann nicht mehr hergestellt werden. Fragen: (1) Was ist der Grund der Denaturierung? (2) Ist eine Renaturierung möglich? Ab welchem Zeitpunkt sind die Proteine komplett zerstört? Gruppenpuzzle: Wie funktioniert ein Lockenstab/ ein Lockenwickler? Glatte oder gelockte Haare? Das ist alles eine Sache des Schwefels. Der Grund: Schwefelatome stecken in einer bestimmten Amino- säure, die besonders häufig in Keratin vorkommt. Das wiederum kommt zu mehr als 80 Prozent in unseren Haaren vor. Die Schwe- felatome binden aneinander und verknüpfen dadurch die Amino- säuren miteinander. Diese Disulfidbrücken stabilisieren schließlich die Form der einzelnen Haare. Bei gelockten Haaren sind die Brü- cken unregelmäßig angeordnet, bei glatten Haaren hingegen ver- laufen die Keratin-Ketten zueinander parallel und sind in gleich- mäßigen Abständen miteinander verbunden. Neben den starken Disulfidbrücken kommen auch schwächere Wasserstoffbrücken- und lonenbin- dungen vor, die die Struktur der Haare aufrechterhalten. Wir verändern die Struktur unseres Haares kurzfristig, für gewöhnlich mit Lockenwicklern oder einem Lockenstab. Die Ilonenbindungen und Wasserstoffbrückenbindungen werden durch Wasser und Hit- zeeinwirkung gebrochen, die Disulfidbrücken werden dabei nicht angegriffen. Dazu sind Chemikalien nötig. Das Haar also zu waschen oder nass zu machen, auf Lockenwickler aufzudrehen und trocknen zu lassen (oder einen Lockenstab zu verwenden), erlaubt uns, vormals glatte Haare zu locken. Wenn das Haar trocknet und sich abkühlt, formen sich die lonenbindungen und Wasserstoffbrücken- bindungen neu. Die Locken, die auf diese Weise entstehen halten nur, bis das Haar wieder nass wird. Dann tritt eine Renaturierung ein, da sich die lonen- und Wasserstoffbrückenbindungen neu ausbil- den. Fragen: (1) Was ist bei der Verwendung von Lockenwicklern oder eines Lockenstabes der Grund für die De- naturierung? (2) Ist ein Renaturierungsprozess möglich? 14 Biologie E-Phase Gruppenpuzzle: Dauerwelle TIPP Quellen: Moleküle des Lebens: Proteine k5850639 fotosearch Ⓒ Der Vorgang der Dauerwelle verändert die Struktur des Keratins. Dies geschieht, indem die Disulfidbrücken mit einem Reduktionsmittel aufgebrochen werden und anschließend durch Lockenwickler dem Haar wieder Struktur verliehen wird. Die Haare werden dann mit einem Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Wasserstoffperoxid behandelt und die Disulfidbrücken können wieder ausgebildet werden. Wäscht man nun alle Chemikalien heraus, so sind die Disulfidbrücken vollends stabil und das Haar dauerhaft gelockt. Bild: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTYjwUZpprJfAPNgtQnOmTBxdSjfyCNDanrGW_G_xmQg0K16hnwwQ&s Fragen: (1) Was ist der Grund der Denaturierung? (2) Ist eine Renaturierung möglich? * Glatte oder gelockte Haare? Das ist alles eine Sache des Schwefels. Der Grund: Schwefelatome stecken in einer bestimmten Aminosäure, die besonders häufig in Keratin vorkommt. Das wiederum kommt zu mehr als 80 Prozent in unseren Haa- ren vor. Die Schwefelatome binden aneinander und verknüpfen dadurch die Ami- nosäuren miteinander. Diese Disulfidbrücken stabilisieren schließlich die Form der einzelnen Haare. Bei gelockten Haaren sind die Brücken unregelmäßig angeord- net, bei glatten Haaren hingegen verlaufen die Keratin-Ketten zueinander parallel und sind in gleichmäßigen Abständen miteinander verbunden. Anfangszustand glatte Haare Endzustand Locken X Aufspaltung der S-S- Brücken durch Reduktionsmittel GER / KUN Aufdrehen auf Lockenwickler + Fixieren mit Oxidationsmittel مسن 15 Campbell, Neil A., Reece Jane B. (2016): Biologie, München, Pearson Verlag * Sadava D. et al (2019): Purves Biologie, Berlin, Springer-Verlag Liliana Dittrich, Julia Tietz: ,,Seminar: Schulorientiertes Experimentieren WS 06/07", WWU- Münster Biologie E-Phase LÖSUNG: Concept-Map Protein besteht aus Moleküle des Lebens: Proteine verknüpft über Aminosäuren unterscheidet Peptidbindungen ✓ Primärstruktur zu 16 bestehen aus Carboxylgruppe Aminogruppe Molekülrest räumlich angeordnet in: Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur 요 -R OH H GER / KUN Biologie E-Phase Der Eischnee Thema Die menschliche Körpertemperatur und hohes Fieber Das Ei in der Pfanne Funktionieren eines Lockenstabes/von Lockenwicklern Die Dauerwelle Moleküle des Lebens: Proteine Lösung Gruppenpuzzle Grund der Denaturierung Kräftiges Aufschlagen. Zerstörung der Bindungen. Wärme/ Hitze: Bei zu hohem Fieber werden die Enzyme zerstört. Aufbrechen der Bindungen. Hitze, Wasser: Aufbrechen der Wasserstoff- und Ionenbindungen. Hitze: Aufbrechen aller Bindungen. Zerstörung Nein der Primärstruktur. Chemikalien (Reduktionsmittel). Aufbrechen der Disulfidbindungen. Nein 17 GER/KUN Ja, wenn die Hitzeeinwirkung nicht höher als 41°C beträgt. Ist eine Renaturierung möglich? Nein Ja. Durch erneutes nassmachen und trocknen lassen.