Biochemie - Stryer PDF

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Komplette Zusammenfassung der Kapitel, die für die Biochemie-Modulprüfung bei Prof. Grasser wichtig sind....

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Modulprüfung Biochemie (Prof. Grasser) I. [2] Zusammensetzung und Struktur der Proteine 1. Zentrale Eigenschaften von Proteinen -Proteine sind lineare Polymere: Bestehen aus monomeren UE (AS) Sind in einer gerichteten Kette miteinander verknüpft Primärstruktur: Sequenz von miteinander verknüpften AS Sekundärstruktur: spontane 3D-Struktur, die durch H-Brücken zustanden kommt, die zwischen nahebeieinander liegenden AS auftreten • Tertiärstruktur: WW zwischen AS, die weit voneinander entfernt sind  aus dieser Struktur ergibt sich die Funktion des Proteins • Quartärstruktur: ein funktionelles Protein, das sich aus mehreren unterschiedlichen Polypeptidketten zusammensetzt  Proteine stellen den Übergang von einer 1D-Welt der Sequenzen in eine 3D-Welt von Molekülen

• • • •

-Proteine enthalten eine große Vielfalt funktioneller Gruppen: •

Funktionelle Gruppen ermöglichen ein breites Spektrum an Proteinfunktionen

-Proteinen können miteinander und mit anderen biologischen Makromolekülen interagieren und komplexe Zusammenschlüsse bilden: Synergistische Zusammenschlüsse: zeigen Funktionen, die die Bestandteile alleine nicht aufweisen, z.B. Replikationsapparat -Manche Proteine sind relativ starr während andere über eine erhebliche Flexibilität verfügen: •

• •

Starr, z.B. Cytoskelett, Bindegewebe Flexibel, kann dann z.B. eine Konformationsänderung durchlaufen (wirkt z.B. wie Hebel, Gelenk)

Die Struktur von Proteinen lässt sich auf 4 Ebenen beschreiben. Mit Primärstruktur bezeichnet man die AS-Sequenz. Die Sekundärstruktur zeigt der Konformation, die lokale Regionen der Polypeptidkette einnehmen, und die Tertiärstruktur zeigt die Faltung einer Polypeptidkette insgesamt. Die Quartärstruktur steht für die Assoziation einzelner Polypeptidketten zu Komplexen aus mehreren UE. 1

2. Proteine sind aus einem Repertoire von 20 AS aufgebaut Aufbau der einzelnen AS -α-Aminosäure besteht aus einem zentralen C-Atom, dem α-Kohlenstoff, an den eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, ein Wasserstoffatom und ein charakteristischer Rest R(=Seitenkette) gebunden sind -zentrales C ist chiral, da vier verschiedene Seitengruppen  D- & L-Isomer (spiegelverkehrt) (gibt es bei jeder AS, außer bei Glycin=einzige achirale AS) -In Proteinen kommen nur L-Isomere vor, die fast alle eine S-Konfiguration besitzen • •

Grund: L-Isomere sind besser wasserlöslich (bilden keine Kristalle) S-Konfiguration: H-Atom nach hinten, die anderen in einer Ebene; S: wenn der Weg von der höchsten zur niedrigsten Priorität nach links geht (gegen den Uhrzeigersinn)

- Aminosäuren liegen in Lösung bei neutralem pH-Wert vorwiegend als dipolare Ionen (oder Zwitterionen) vor. Im dipolaren Zustand ist die Aminogruppe protoniert( –NH3+) und die Carboxylgruppe dissoziiert (–COO–) (ändert sich mit pH) • pH 1: NH3+ , COOH • pH wird höher: COOH gibt als erstes Proton ab (da pKa=2)  Zwitterion • pH 9: jetzt gibt auch NH3+ sein Proton ab

-Die Proteine alles Lebewesen setzen sich aus den selben 20 AS zusammen •

alle AS unterscheiden sich in Größe, Ladung, Fähigkeit zur Ausbildung von H-Brücken, hydrophobem Charakter, chemischer Reaktivität

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Einteilung in 4 Gruppen auf Grundlage der allgemeinen chemischen Merkmale ihrer Seitenketten I.

AS mit einer hydrophoben Seitenkette

-aliphatische AS (Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Methionin) + AS mit aromatischer Seitenkette (Tryptophan, Phenylalanin) -Methionon: enthält eine weitgehend aliphatische Seitenkette (=KW-Kette) mit einer Thioethergruppe (–S–) -Isoleucin: Seitenkette weist ein zusätzliches Chiralitätszentrum auf -Die längeren aliphatischen Seitenketten sind hydrophob – das heißt, sie neigen dazu, eher miteinander zu assoziieren, als mit Wasser in Kontakt zu treten. Durch diese Tendenz, die man auch als hydrophoben Effekt bezeichnet, wird die 3D Struktur wasserlöslicher Proteine stabilisiert. Der hydrophobe Effekt • • •

•

wenn etwas unpolar: kann sich nicht an H-Brücken oder ionischen WWs beteiligen bei Wasserkontakt bildet Wasser Käfige um unpolares, dadurch hat Wasser höhere Ordnung als in freier Lösung Die Zusammenlagerung von unpolaren Gruppen in Wasser führt zu einer Freisetzung von Wassermolekülen, die zuerst mit der unpolaren Oberfläche interagieren, in das umgebende Wasser. Die Freisetzung von Wassermolekülen in die Lösung begünstigt die Zusammenlagerung von unpolaren Gruppen. Das ganze energetisch günstig, weil: unpolare Moleküle verstärktes Bestreben sich zusammenzulagern = hydrophober Effekt und damit verbunden hydrophobe Wechselwirkungen

-Prolin: hat auch aliphatische Seitenkette & Ringstruktur diese Architektur beeinflusst das Protein in hohem Maße, da es durch seine Ringstruktur in seiner Konformation stärker eingeschränkt wird als die anderen Aminosäuren. -Aromatische AS: •

• •

II.

Phenylalanin: besitzt einen Phenylring, ist sehr hydrophob Tryptophan: hat einen über eine Methylgruppe(–CH2–) verbundenen Indolring; dieser ist aus zwei Ringen und einer NH-Gruppe aufgebaut. Weniger hydrophob (wegen NH-Gruppe)

AS mit einer polaren Seitenkette (ungeladen)

-AS mit Hydroxylgruppen-Seitenkette (Serin, Threonin, Tyrosin) + sulfhydrylhaltiges Cystein + AS mit carboxamidhaltiger Seitenkette (Asparagin, Glutamat) -Serin, Threonin und Tyrosin: • enthalten jeweils eine Hydroxylgruppe (deshalb sehr viel hydrophiler und reaktiver), die an eine hydrophobe Seitenkette gebunden ist • sind die hydrophilen Gegenstücke zu: Alanin, Valin, Phenylalanin • Threonin hat zusätzliches Asymmetriezentrum -Asparagin, Glutamin: Sind ungeladene Derivate von Aspartat und Glutamat, bei denen jeweils die endständige Carboxylgruppe durch ein Carboxamid ersetzt ist -Cystein: •

•

ähnelt seiner Struktur nach dem Serin, enthält jedoch eine Sulhydryl- oder hiolgruppe (–SH) anstelle der Hydroxylgruppe (–OH), wobei die Sulhydrylgruppe sehr viel reaktionsfreudiger ist

•

je zwei dieser Gruppen bilden Disulfidbrücken aus, wichtige Rolle bei Proteinstabilisierung

III.

AS mit einer basischen Seitenkette (bei physiologischem pH positiv geladen)

-Lysin, Arginin, Histidin -Diese AS haben sehr polare Seitenketten und sind deshalb hydrophil -Lysin, Arginin: • Lange Seitenketten, deren Endgruppe bei neutralem pH positiv geladen ist • Lysin: primäre Aminogruppe, Arginin: Guanidiniumgruppe 3

-Histidin: enthält eine Imidazolgruppe (aromatischer Ring), die ebenfalls positiv geladen sein kann • Imidazogruppe hat einen pKa von 6  kann bei neutralem pH-Wert je nach lokaler Umgebung sowohl ungeladen als auch geladen vorliegen • Histidin findet sich oft im katalytischen Zentrum eines Proteins  hier kann der Imidazolring im Verlauf enzymatischer Reaktionen je nach Bedarf Protonen binden oder freisetzen

IV.

AS mit einer sauren Seitenkette (bei physiologischem pH negativ geladen)

-Asparaginsäure(=Aspartat), Glutaminsäure(=Glutamat) -haben saure Seitenketten -bei physiologischem pH fehlt ein Proton, daher Seitenkette negativ

-7 AS verfügen über leicht ionisierbare Seitenketten: Tyrosin, Cystein, Arginin, Lysin, Histidin, Asparagin- und Glutaminsäure •  können Proteinen abgeben und aufnehmen um Reaktionen zu ermöglichen oder Ionenbindungen einzugehen -Nicht nur die Seitenketten können ionisiert werden: auch die endständige alpha-Aminogruppe und die endständige alpha-Carboxylgruppe

-Wieso genau diese 20 AS?: • Haben sehr vielfältige Eigenschaften • Andere AS waren zu reaktiv (z.B. Homoserin bildet spontan stabilen 5-Ring; Serin kann nur 4Ring bilden, der aber sehr ungünstig ist) 4

Proteine sind lineare Polymere aus AS. Jede AS besteht aus einem zentralen tetraedrischen Kohlenstoffatom, an das eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, eine jeweils charakteristische Seitenkette und ein H-Atom gebunden sind. Mit Ausnahme des Glycins sind diese tetraedrischen Zentren chiral, wobei in natürlichen Proteinen nur das L-Isomer vorkommt. Sämtliche natürlichen Proteine bestehen aus demselben Satz von 20 Aminosäuren. Die Seitenketten dieser 20 Bausteine unterscheiden sich beträchtlich in Bezug auf ihre Größe, Form und das Vorhandensein funktionaler Gruppen. Sie lassen sich in 4 Gruppen einteilen. 5

3. Primärstruktur: Peptidbindungen verknüpfen die AS zu Polypeptidketten Aufbau der Polypeptikette -Proteine sind lineare Polymere: • a-Carboxylgruppe einer AS ist mit der a-Aminogruppe einer zweiten AS über eine Peptidbindung verknüpft (auch Amidbindung genannt)  H2O wird dabei frei • GG der Reaktion liegt aufseiten der Hydrolyse  Biosynthese von Peptibindungen benötigt Energie • Dennoch sind Peptidbindungen kinetisch stabil  Lebensdauer einer Peptidbindung beträgt fast 1000 Jahre

-Polypeptidketten sind polar: • Ein Ende trägt eine a-Aminogruppe, das andere trägt eine a-Carboxylgruppe • Aminoende ist Beginn der Polypeptikette (Schreibweise: N-Terminus links) • Bsp: YGGFL

-Polypeptid besteht aus einem Rückgrat (schwarz) und einzelnen Seitenketten (grün) • Rückgrat hat hohes Potenzial zur Ausbildung von H-Brücken • Jeder Rest enthält eine Carbonylgruppe (H-Akzeptor) und eine NH-Gruppe (H-Donator) (außer Prolin)

-Polypeptidketten enthalten zwischen 50 und 2000 AS = Proteine -größtes Protein = Titin (27000 AS) -Oligopeptide/Peptide: enthalten eine geringe Zahl von AS -mittlere Molekülmasse einer AS beträgt 110 g/mol  Polypeptidketten haben 5500 – 220000 g/mol -Proteinmasse wird meist in Dalton angegeben 1 g/mol = 1 D (=Masse eines H-Atoms) -Innerhalb von Proteinen kommen verschiedene Querbrücken vor: meist Disulfidbrücken (durch Oxidation von 2 Cysteinresten = Cystin) 6

Proteine besitzen spezifische AS-Sequenzen, die durch Gene festgelegt werden -AS-Sequenz eines Proteins wird häufig als dessen Primärstruktur bezeichnet -AS-Sequenz von Proteinen ist genetisch festgelegt -AS-Sequenz zu kennen ist wichtig für: • Kenntnisse über die Wirkung eines Proteins • AS-Sequenz legt die 3D-Struktur eines Proteins fest • Molekularpathologie: Anomalien und Krankheiten • Sequenz eines Proteins verrät eine Menge über seine Evolutionsgeschichte: Proteine ähneln sich in ihrer Sequenz nur dann, wenn sie von einem gemeinsamen Vorläufer abstammen

Polypeptidketten sind flexibel, aber dennoch in ihren Konformationsmöglichkeiten eingeschränkt -Peptidbindung ist planar • Es liegen 6 Atome in derselben Ebene • Grund: Die Peptidbindung oszilliert zwischen Einfach- und Doppelbindung  Aufgrund dieses Doppelbindungscharakters wird die Rotation um diese Bindung verhindert •

Peptidbindung ist 0,132 nm lang (das ist genau zwischen der Länge einer Einfachbindung (0,149) und einer Doppelbindung (0,127)

-Nahezu alle Peptidbindungen sind in trans-Konfiguration geknüpft (Ca sind auf verschiedenen Seiten, wie im Bild darüber) • Grund: cis-Verknüpfung sterisch ungünstig, da Gruppen am Ca aneinanderstoßen würden -Die Bindungen zwischen Ca und CO und Ca und NH sind Einfachbindungen  Rotation möglich  Faltungen möglich • Rotation wird durch Torsionswinkel beschrieben (=ein Maß für die Rotationsmöglichkeit, -180° bis + 180°) o Rotationswinkel zwischen Ca und NH = phi o Rotationswinkelt zwischen Ca und CO = psi • Sind alle Kombinationen von phi und psi möglich?  Ramachandran-Diagramm o Nein  ¾ nicht möglich durch sterische Kollisionen o Die erlaubten Kombinationen lassen sich in einem Ramachandran-Diagramm darstellen Die AS in einem Polypeptid sind durch Amidbindungen zwischen der Carboxylgruppe der einen AS und der Aminogruppe der nächsten miteinander verknüpft. Diese Verknüpfung wird als Peptidbindung bezeichnet und verfügt über mehrere wichtige Eigenschaften. Zum einen ist sie hydrolyseresistent, sodass Proteine kinetisch bemerkenswert stabil sind. Zweitens ist die Peptidgruppe planar, da die C–N-Bindung in beträchtlichem Maß über den Charakter einer Doppelbindung verfügt. Drittens besitzt jede Peptidbindung sowohl einen H-Donator (die NHGruppe) als auch einen H-Akzeptor (die CO-Gruppe). H-Brücken zwischen diesen Gruppen des Rückgrats sind ein charakteristisches Merkmal der Proteinstruktur. Schließlich ist die Peptidbindung ungeladen, sodass sich Proteine zu dicht gepackten globulären Strukturen falten können, bei denen ein beträchtlicher Teil des Peptidgerüsts im Inneren des Proteins verborgen liegt. Da es sich bei ihnen um lineare Polymere handelt, lassen sich Proteine als ASSequenzen darstellen. Solche Sequenzen werden per Konvention vom Amino- zum Carboxylende notiert. 7

Sekundärstruktur: Polypeptidketten können sich zu regelmäßigen Strukturen wie a-Helix und b-Faltblatt, Kehren und Schleifen falten - Proteinstruktur. α-Helices, β-Stränge und β-Kehren werden durch ein regelmäßiges Muster von Wasserstobrücken zwischen Peptid-N–H- und -C=O-Gruppen der Aminosäuren gebildet, die in der linearen Sequenz nahe beieinanderliegen. Solche gefalteten Abschnitte bezeichnet man als Sekundärstruktur.

I.

Die a-Helix ist eine gewundene Struktur, die durch H-Brücken innerhalb der Kette stabilisiert wird

-Aufbau a-Helix: • •

Eng gewundenes Rückgrat + Seitenketten, die in schraubenartiger Anordnung nach außen weisen Durch H-Brücken stabilisiert: CO-Gruppe bildet eine H-Brücke zur NH-Gruppe, die 4 Reste entfernt liegt  alle CO- und NH-Gruppen der Hauptkette sind an H-Brücken beteiligt (außer die ganz äußeren)

•

Jeder Rest ist gegen den nächsten um 0,15 nm entlang der Helixachse verschoben, auch Translation oder Schiebung genannt, und um 100° verdreht, sodass eine volle Umdrehung der Helix 3,6 Aminosäureresten entspricht

• • •

Deshalb liegen AS, die 4 Reste voneinander entfernt sind in unmittelbarer räumlicher Nähe Ganghöhe: 0,54 nm Drehsinn: o kann rechts oder links sein o rechtsgängige Helices energetisch günstiger, da es bei ihnen zu weniger sterischen Kollisionen zwischen den Seitenketten und dem Rückgrat kommt o Grundsätzlich sind alle in Proteinen anzutreffenden α-Helices rechtsgängig.

•

Nicht alle Aminosäuren passen sich ohne Weiteres einer α-Helix an: o Verzweigungen am β-Kohlenstoffatom, wie sie in Valin, Threonin und Isoleucin vorkommen, können die α-Helix aufgrund der sterischen Behinderung destabilisieren. o Auch Serin, Aspartat und Asparagin stören tendenziell die α-Helix, da ihre Seitenketten in großer Nähe zur Hauptkette Donatoren oder Akzeptoren für Wasserstobrücken enthalten, die mit den CO- und NH-Gruppen der Hauptkette konkurrieren. o Auch Prolin unterbricht die Helix, da hier eine NH-Gruppe fehlt und die Ringstruktur verhindert, dass der φ-Wert zu einer α-Helix passt. Der a-Helix-Anteil von Proteinen ist sehr unterschiedlich.

•

II.

Die b-Faltblatt-Struktur wird von H-Brücken zwischen den Strängen stabilisiert

-b-Stränge (=Polypeptidketten innerhalb eines b-Faltblatts): liegen fast völlig ausgestreckt vor -Der Abstand zwischen benachbarten AS liegt bei 0.35 nm -Die Seitenketten benachbarter AS weisen in entgegengesetzte Richtungen -Ein b-Faltblatt entsteht durch die Verknüpfung von zwei oder mehreren b-Strängen über H-Brücken -b-Faltblätter können rein parallel oder rein antiparallel verlaufen oder gemischt

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III.

Polypeptidketten können ihre Richtung umkehren, indem sie Kehren und Schleifen ausbilden

-beta-Kehre = Haarnadelkehre -Schleifen

IV.

Fibrilläre Proteine stützen die Struktur von Zellen und Geweben

-Alpha-Keratin: • Hauptbestandteil von Haaren • Besteht aus zwei rechtgängigen a-Helices, diese sind umeinandergewunden und bilden eine linksgängige Superhelix (coiled coil)

a-Keratin gehört zur Familie der coiled coil-Proteine, wie z.B. auch Intermediärfilamente o Proteine dieser Familie sind durch einen zentralen Bereich von 300 AS gekennzeichnet, der ungenaue Wiederholungen von einer Sequenz aus sieben AS enthält, die man als Heptad-Wiederholung bezeichnet. • Die beiden Helices im α-Keratin sind durch schwache Wechselwirkungen wie van der-WaalsKräfte, ionische Wechselwirkungen und Disulfisbrücken quervernetzt • Die Bindungen zwischen den Helices bedingen die physikalischen Eigenschaften zum Beispiel von Wolle, die α-Keratin enthält. Wolle ist dehnbar und kann bis zum Doppelten ihrer Länge gestreckt werden, da sich die α-Helices strecken und die schwachen Wechselwirkungen zwischen benachbarten α-Helices gelöst werden. Die kovalenten Disulfidbrücken lassen sich jedoch nicht lösen, sodass die Faser in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt, sobald die Zugkraft endet. -Kollagen: • Extrazelluläres Protein, wichtig bei Haut, Knochen, Sehnen, Zähnen • Kollagen-Helix enthält drei helikale Polypeptidketten, die jeweils etwa 1000 Reste umfassen • Jeder dritte Rest der Aminosäuresequenz ist ein Glycin, und die Sequenz Glycin-ProlinHydroxyprolin kommt häufig immer wieder vor. Hydroxyprolin ist ein Derivat von Prolin, das anstelle von einem der Wasserstoffe im Pyrrolidinring eine Hydroxylgruppe enthält. • Helix enthält keine H-Brücken, stattdessen wird die Helix durch sterische Abstoßung der Pyrrolidingringe der Prolin- und Hyroxyprolinreste stabilisiert. •

Zwei der Hauptelemente in der Sekundärstruktur eines Proteins sind die α-Helix und der β-Strang. In der α-Helix ist die Polypeptidkette zu einem dicht verdrillten Stab gepackt. Innerhalb der Helix ist die CO-Gruppe jeder Aminosäure über H-Brücken mit der NH-Gruppe der viertnächsten Aminosäure in dem Strang verknüpft. Im β-Strang liegt die Polypeptidkette fast völlig ausgestreckt vor. Zwei oder mehr über H-Brücken zwischen CO- und NH-Gruppen vernetzte β-Stränge bilden ein β-Faltblatt. Die Stränge in β-Faltblättern können antiparallel oder parallel verlaufen oder eine Mischform bilden. 9

4. Tertiärstruktur: Wasserlösliche Proteine falten sich zu kompakten Strukturen mit einem unpolaren Kern -Tertiärstruktur entschlüsselt durch Röntgenstrukturanalysen und Kernspinresonanzanalysen -Myoglobin: • •

Besteht aus einer einzigen Polypeptidkette (153 AS) Hilfsgruppe Häm nötig um O2 zu binden

• • •

Viele Helices, Kehren und Schlaufen Gesamtanordnung der Polypeptidkette eines Proteins wird als Tertiärstruktur bezeichnet Das Innere des Myoglobins besteht fast vollständig aus unpolaren Resten, die einzigen polaren Gruppen dort sind zwei Histidine, die für die Bindung von Eisen und O2 nötig sind Außen: polare Reste (in wässriger Lösung)

•

 In einer wässrigen Umgebung wird die Proteinfaltung von dem starken Bestreben hydrophober Reste angetrieben, dem Wasser zu entkommen  Die Polypeptidkette faltet sich daher spontan so, dass die hydrophoben Seitenketten im Inneren verborgen sind und die polaren, geladenen Reste an der Oberfläche liegen -Ausnahme: Porine • Durchziehen die Membran • Sind außen hydrophob und interagieren mit der PM und sind innen hydrophil und bilden so eine wässrige Pore -Bestimmte Kombinationen von Sekundärstrukturen kommen in zahlreichen Proteinen vor und zeigen häufig ähnliche Funktionen. Diese Kombinationen bezeichnet man als Strukturmotive oder Supersekundärstrukturen. (z.B. Helix-Turn-Helix-Motiv) -Einige Polypeptidketten falten sich in zwei oder mehr kompakte Bereiche, die wie Perlen auf einer Schnur durch ein flexibles Polypeptidsegment verbunden sind. Solche kompakten globulären Einheiten, die Domänen, umfassen zwischen 30 und 400 Aminosäuren. Die kompakte, asymmetrische Struktur, zu der die einzelnen Polypeptide angeordnet sind, bezeichnet man als Tertiärstruktur. Die Tertiärstrukturen wasserlöslicher Proteine haben verschiedene Merkmale gemeinsam: erstens einen inneren Kern aus AS mit hydrophoben Seitenketten und zweitens eine Oberfläche aus zumeist hydrophilen AS, die mit der wässrigen Umgebung in WW treten. Die treibende Kraft bei der Bildung der Tertiärstruktur wasserlöslicher Proteine sind die hydrophoben WW zwischen den inneren AS. Manche Proteine, die in ei...