3-D-Strukturen

• Arten von Bindungen im Protein
• elektrostatische Wechselwirkungen
• Coulomb'sches Gesetz
• beschreibt Ion-Ion-Wechselwirkungen
• K = (1)/(4pe₀e_r)(q₁q₂)/(r²)
• e = 1,6×10^-19 As
• e₀ = 8,85 × 10^-12 As/Vm - absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums
• e_r = relative Dielektrizitätskonstante
• z.B. 80 in H₂O
• einige AS auch elektrisch neutral,aber dennoch elektrisch aktiv
• ®Ion-Dipol-WW
• E @ (-1)/(4pe₀e_r)(q_Ion×m_Dipol)/(r²)
• q =Ladung
• genau:
• E @ (-1)/(4pe₀e_r)((q_Ion×m_Dipol)/(r+l/2) - (q_Ion×m_Dipol)/(r-l/2))
• (1)/(r+l/2) = 1/r((1)/(1+l/2r)) @1/r(1-l/2r)
• (1)/(r-l/2) @ 1/r((1)/(1+l/2r))
• (Taylor-Reihe: (1)/(1+x) @ 1-x )
• Die Ion-Dipol-WW fallen schneller mit wachsendem r (1/r²)als die Ion-Ion WW (1/r)
• Beispiel: Asparagin
• Dipol-Dipol-WW
• E @ (-1)/(pe₀ e_r )(m₁m₂)/(r³)
• Van-der-Waals'sche WW
• induzierte Dipole
• temporäre Ladungsschwerpunkte
• E = (-A)/(r⁶) + (B)/(r¹²)
• A = const. fasst alle möglichen Einflüsse zusammen
• sogenanntes Lennard-Jones-Potential
• auch 6-12-Potential
• Übungsaufgabe: Berechnen Sie den Radius (alsFunktion der Parameter A und B), bei dem die Energiedes Lennard-Jones-Potentials ein Minimum einnimmt
• E(r) = (-A)/(r⁶) + (B)/(r¹²) = -Ar^-6 + Br^-12E'(r) = 6Ar^-7 -12 Br^-13 = (6A)/(r⁷) - (12 B)/(r¹³) := 0Þ (6A)/(r⁷)=(12B)/(r¹³)Þ 6Ar⁶=12B Þ r⁶=(2B)/(A)
• ® r_min = ((2B)/(A))^(1/6)
• Zweite Ableitung ergibt für r_min allerdings (-21A)/((2((B⁴)/(A⁴)))^(1/3))
• ®r_min ist nur für A<0 ein Minimum
• Übungsaufgabe: minimale Energie
• E_min(A,B) = E(A,B,r_min) = (-A)/((((2B)/(A))^(1/6))⁶) + (B)/((((2B)/(A))^(1/6))¹²) = ( -A )/((2B)/(A)) + ( B )/((4B²)/(A²))= (-A²)/(2B) + (A²)/(4B) = (-2A²)/(4B) + (A²)/(4B)
• ÞE_min(A,B) = (-A²)/(4B)
• Anmerkung: dies ist unlogisch, da oben festgestellt wurde, dass A<0
• Hartkugelpotential
• E = ¥ - wenn r < r*,(-A)/(r⁶)+E₀ - wenn r ³ r*
• H-Brücken-Bindung
• entsteht zwischen Gruppen, die aufgrund verschiedenerElektronegativitäten partielle Ladungen bilden
• Unterscheidung
• H-Brücken-Akzeptoren
• O, N oder S in geeignter Konformation
• haben höhere Elektronegativität als H
• hat freies Elektronenpaar, dass an keine Bindung beteiligt ist
• ® hat partiell negative Ladung
• Wasser kann als Akzeptor maximal 2 H-Brücken ausbilden
• H-Brücken-Donoren
• enthalten mind. 1 H-Atom, dass kovalent an ein N, O oder S gebunden ist
• muss in geeigneter Konformation vorliegen
• ® kann H-Brücke zu H-Brücken-Akzeptor ausbilden
• hat partiell positive Ladung
• ® 4 Klassen von AS
• nur Donor
• protoniertes
• Histidin


• eine der
• Aminosäuren
• Klassifikation nach Taylor
• Binärer Vektor mit 11 Merkmalen
• Unterscheidung
• Unterscheidung nach elektrischen Eigenschaften
• hydrophile Aminosäurn
• sind entweder geladen oder haben großes Dipolmoment
• geladene
• Saure Aminosäuren
• sind negativ geladen
• Aspartat


• auch: Asparaginsäure
• eine der sauren
• Aminosäuren
• Glutamat


• E
• hat Carboxylgrp. in Seitenkette
• ® im freien Zustand zwei saure Gruppen und eine basische
• Titrationskurve zeigt 3 Plateaus mit größter
• Pufferkapazität
• b = (¶NaOH)/(¶pH)
• im Protein
• gute elektrostatische WW
• ® Proteinstabilität
• hauptsächlich in hydrophober Hülle
• auch in
• Salzbrücke
• basische Aminosäuren
• sind positiv gleaden
• Arginin


• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode R
• polar
• leicht hydrophob
• im Protein:
• Grenze hydrophober Kern « hydrophile Hülle
• auch in
• Salzbrücken
• im aktiven Zentrum
• Lysin


• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode K
• hydrophil
• basisch
• kann Protonen aufnehmen
• im Protein:
• in
• Salzbrücke
• an der Grenze zwischen hydrophobem Kern und hydrophiler Hülle
• Histidin


• ungeladene
• ladungs-neutral
• ohne Hydroxylgruppe
• Asparagin


• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode N
• ungeladen
• polar
• kann an der endständigen Aminogruppe glykosyliert werden
• Glutamin
• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode Q
• ungeladen
• polar
• mit Hydroxylgruppe
• Serin


• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode S
• relativ klein
• kann aufgrund der OH-Gruppe H-Brücken ausbilden
• im Protein
• in Turns
• in
• katalytische Triade
• zwei Formen
• 1
• Aspartat
• Histidin


• Serin
• 2
• Asparagin
• Histidin


• Cystein


• eine der
• Aminosäuren
• enthält Sulfhydrylgruppe (schwefelhaltig, auch Thiolgruppe)
• kann Dimere bilden:
• Cystin
• kann mit Schwermetallen wechselwirken
• Blei
• Cadmium
• Quecksilber
• andere Metalle
• Zink
• wichtige Vorkommen:
• a-Keratin
• Zinkfinger-Protein
• verschiedene Formen
• C₂H₂
• Threonin


• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode T
• hat chirale Seitenkette
• schwefelhaltig
• Cystein
• hydrophobe Aminosäuren
• sind ungeladen
• haben kein Dipolmoment
• aliphatische
• Alanin


• zweitkleinste der
• Aminosäuren
• "langweiligste"
• Einbuchstabencode A
• Valin


• eine der aliphatischen
• Aminosäuren
• kommt im hydrophoben Kern vor
• Einbuchstabencode V
• Leucin


• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode L
• Vorkommen:
• Leucin-Zipper
• dort: jede 7. AS =L
• Isoleucin


• ist eine aliphatische
• Aminosäuren
• Ile
• Einbuchstabencode I
• chemisch inert
• essentiell
• Glycin


• einzige nicht chirale
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode G
• kleinste AS
• auch bezeichnet als
• Glykokoll
• Glykoll
• Vorkommen:
• Map-Kinasen
• dort Motiv GXGXXG
• kann Phosphate binden
• Methionin


• eine der aliphatischen
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode M
• hat kovalent gebundenen (inerten) Schwefel
• kann Metallionen binden
• aromatische Aminosäuren
• Phenylalanin


• eine der aromatischen
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode F
• stark hydrophob
• Vorkommen
• Transmembrandomänen
• hydrophober Kern
• kann hydrophobe Liganden binden
• fähig zu
• Stapel-Wechselwirkungen
• ist ein hydrophober Effekt aufgrund der Entropie
• aber auch quantenmechanisch begründet
• Tyrosin


• eine der aromatischen
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode Y
• Name von grich. tyros = Käse
• bildet
• Stapel-Wechselwirkungen
• überwiegend hydrophob
• kann phosphoryliert werden
• verwandter Stoff:
• L-Dopa
• L-Dihydroxyphenylalanin
• Medikament gegen Parkinsonsche Krankheit
• wird im Körper in Dopamin umgewandelt
• Tryptophan


• eine der aromatischen
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode W
• Eigenschaften
• größte AS
• hat Indol-Ring
• N im Ring kann H-Brücken ausbilden
• ®reaktiver als
• Phenylalanin


• ®weniger reaktiv als
• Tyrosin


• ist in AS-Sequenzen besonders konservativ
• Vorkommen:
• hydrophober Kern
• Transmembrandomänen
• in Schokolade eine Vorläufersubstanz für Serotonin
• andere
• Prolin


• eine der
• Aminosäuren
• Einbuchstabencode P
• Eigenschaften
• spielt Sonderrolle, da Seitenkette mit Aminogruppe verbunden
• ® Helixbrecher bei
• a-Helix
• technische Daten
• 3,6 ASn pro Windung
• Ganghöhe 5,4 Å
• Radius 2,5 Å
• Seitenketten der ASn stehen senkrecht zu Längsachse der Helix heraus
• da einzelne ASn Dipolmomente aufweisen,die leicht geneigt sind,bildet sich ein Gesamtdipolmoment
• prinzipell gilt: je länger die Helix, desto stärker das Gesamtdipolmoment
• aber: wächst nicht über alle Maße, da Helix auf £ 10 ASn beschränkt
• Dipolmoment m = q×l
• q = Ladung
• l = Länge
• Vorkommen
• in globulären Proteinen
• teilweise auch in fibrillären Proteinen
• Helixbrecher
• Prolin


• Glycin


• ist eigentlich eine Iminosäure
• Ring = Pyrrolidin-Ring
• nicht aromatisch, da keine Doppelbindungen
• hydrophob
• im Proteinverbund kein H-Brücken-Donor
• Vorkommen:
• Turns ® Helixbrecher
• bildet Polyprolinregionen = Regionen niedriger Komplexität
• Selenocystein


• reaktiver als
• Serin


• 21. AS
• leichter zu ionisieren
• ® Aktivität von Enzymen, die Sec enthalten
• Pyrrolysin


• 22. AS
• Hydroxyprolin
• entsteht durch Hydroxylierung von
• Prolin
• am Cg-Atom
• OH-Gruppe ist H-Brücken -Donor und -Akzeptor
• Hydroxylysin
• entsteht durch Hydroxylierung von
• Lysin


• Einbuchstabencode H
• hat eine Imidazolgruppe
• aromatischer Ring
• ® kann an teilnehmen an
• Stapel-Wechselwirkungen
• kann Bindung zu Zink eingehen
• siehe:
• Zinkfinger-Protein
• pK = 5 ... 6
• im Protein:
• im hydrophoben Kern
• in hydrophiler Hülle
• in
• katalytische Triade
• nur Akzeptor
• Aspartat
• Glutamat
• deprotoniertes
• Histidin
• beides
• Serin
• Threonin
• Asparagin
• Glutamin
• Cystein
• Thyrosin
• keines von beiden
• aliphatische AS
• haben nur Methylgruppen in Seitenkette
• Alanin
• Leucin
• Bindungsenergie E @ -10 ... -20 kJ/mol, abhängig von
• Abstand
• Kollinearität
• sind beide Atome in einer Linie?
• Vergleich: thermisches Rauschen: kT @ 2.5 kJ/mol
• hydrophobe Wechselwirkungen
• abhängig vom Lösungsmittel
• ist ein Effekt der
• Entropie
• Maß für die Unsicherheit eines Zufallsexperiments
• Maß für die Unordnung eines Systems
• Paradigma: Die univesale Entropie nimmt stets zu.
• H(X) = H(x₁,...,x_n) = -P_i=1ⁿ p_i log p_i
• ist maximal, wenn für alle i¹j ®p_i=p_j
• nach
• Claude Elwood Shannon
• relativ starke WW
• Grundlage für
• HP-Modelle
• h ~ hydrophob
• p ~ polar
• nimmt vereinfachend an, dass sich Moleküle nur auf einem Gitter bewegen können
• Chiralität
• tritt auf, bei C-Atomen die vier Einzelbindungenmit paarweise verschiedenen Resten ausbilden
• ist bei fast allen C-a-Atomen der Fall
• Q nicht bei Glycin, da zwei Reste H-Atome sind
• zusätzlich: doppelte Chiralitätbei einigen Aminosäuren
• Threonin
• Isoleucin
Aminosäuren
• Sekundärstrukturen in Proteinen
• innere Koordinaten
• Moleküle beschrieben in kartesische Koordinaten, z.B. in
• PDB
• Protein Data Bank
• kartesische Koodinaten allerdings relativ unpraktisch
• ®innere Koordinaten = von Orientierung des Koordinatensystems unabhängig
• zusammengesetzt aus
• Bindungslängen
• Abstand zwischen Atomen
• nahezu konstant bei etwa 1Å= 10^-10m = 1/10nm
• Bindungswinkel
• meist nahe bei 120°
• Dihedralwinkel
• = Torsionswinkel
• definiert zwischen 4 Atomen
• angegeben im Bereich -180°...+180°
• drei Typen im Peptidrückgrad:
• f
• zwischen C_ai und N_i
• 19 der Aminosäuren können jeden Wert von -180°£f£+180° ausbilden
• Prolin kann nur Dihedralwinkel im Bereich -80° £ f £ -50° annehmen
• w
• zwischen C_i-1 und N_i
• Partieller Doppelbindungscharakter der Bindung ®
• kann in Polypeptiden nur 0° (cis) oder 180° (trans) sein
• cis seltener, tritt am häufigsten in Prolin auf
• y
• zwischen c_ai und C_i
• ist bei allen AS frei bewegbar
• in den Seitenketten mit c₁, c₂ ... bezeichnet
• iAnmerkung zur freien Drehbarkeit:
• gilt nur für einzelne AS(-paare)
• im Verbund beeinflussen sich alle Winkel gegenseitig, was die Bereiche stark einschränkt
• Beispiel: f = y = 0 führt zu sterischer Behinderung M und kommt damit nicht vor
• eine Darstellung der möglichen Winkel-Konfigurationen ist ein
• Ramachandran-Plot
• Auftragen der Häufigkeiten von Kombinationen aus


• Dihedralwinkeln
• nämlich y gegen f
• a-Helix
• i Info:
• Login unter http://pinguin.biologie.uni-jena.de/bioinformatik/
• Zugang: BioinformatikPWD: enzym06