1M. Kresken

Biologisch wichtige organische Verbindungen II

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Proteine

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Peptide, Proteine

• Die Carboxylgruppe einer Aminosäure kann mit einer Aminogruppe einer Aminosäure unter Wasserabspaltung reagieren (Kondensation).

• Die Aminosäuren sind durch Carbonsäureamid-Bindungen zwischen -Carboxy- und -Amino-Gruppe verknüpft.

• Die Bindung wird als Peptidbindung bezeichnet, in der alle Atome in einer Ebene liegen, d.h. es entstehen Kettenmoleküle.

4M. Kresken

Peptide, Proteine

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Peptide, Proteine

Angiotensin II• Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe• DRVYIHPF

Peptide, Proteine

Anzahl der verknüpften Aminosäuren (AS)

Bezeichnung Beispiel

2 Dipeptid „Penicillin” Val-Cys

3 Tripeptid Glutathion Glu-Cys-Gly

Bis 10 Oligopeptid Ocytocin 9 AS(Oxytocin)

Mehr als 10 Polypeptid Insulin 51 AS

Mehr als 100 Protein (Makropeptid)

Hämoglobin

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Struktur der Peptide / Proteine

• Proteine sind Moleküle, deren Molekulargewicht 10.000 bis mehrere Millionen u beträgt.

• Da sie sehr spezifische Aufgaben (z.B. als Enzyme) haben, liegen Proteine nicht einfach als Ketten vor.

8M. Kresken

Struktur der Proteine

1. Primärstruktur: • Hierunter versteht man die Aminosäuresequenz

-Ala-Gln-Val-Lys-Gly-His-Gly-

Lys-Lys-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-

Thr-Asn-Ala-Val-Ala-His-Val-

Aminsäurereste 53-74 der-Untereinheit des Hämoglobins

9M. Kresken

Struktur der Proteine

2. Sekundärstruktur:• Sind durch Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken)

stabilisierte Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation.

• Die Teilsequenz ist zu einer α-Helix gefaltet.• Die Peptidkette ist hier schraubenförmig gewunden.• α-Helices werden durch Wasserstoffbrückenbindungen

zwischen den NH- und CO-Gruppen von Resten, die in der Sequenz jeweils um 4 Positionen voneinander entfernt sind, stabilisiert.

10M. Kresken

Struktur der Proteine

2. Sekundärstruktur:

11M. Kresken

Struktur der Proteine

2. Sekundärstruktur:

12M. Kresken

Struktur der Proteine

3. Tertiärstruktur: • Als Tertiärstruktur bezeichnet man die aus

Sekundärstruktur-Elementen und ungeordneten Bereichen aufgebaute, dreidimensionale Konformation eines Proteins.

13M. Kresken

Struktur der Proteine4. Quartärstruktur:

• Viele Proteine lagern sich aufgrund nichtkovalenter Wechselwirkungen zu symmetrischen Komplexen (Oligomeren) zusammen. Die Komponenten oligomerer Proteine (meist 2-12) bezeichnet man als Untereinheiten oder Monomere.

• Im Hämoglobin bilden zwei - (braun) und zwei -Untereinheiten (grün) ein Tetramer.

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Proteine

• Man unterscheidet:

- Strukturproteine

- Lösliche Proteine

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Strukturproteine

• Faserförmige (fibrilläre) Proteine• Verleihen extrazellulären Strukturen

mechanische Festigkeit• Sind am Aufbau des Cytoskeletts* beteiligt

*Das Cytoskelett dient u.a. dazu, die Form der Zellen aufrecht zu erhalten.

Strukturproteine

-Keratin

• Haare (Wolle), Federn, Nägel, Klauen bestehen überwiegend aus Keratin.

• Liegt überwiegend -helical gewunden vor

• Jeweils zwei Ketten bilden eine linksgängige Superhelix.

• Die superhelicalen Keratin-Dimere treten wiederum zu Tetrameren zusammen, die weiter zu Protofilamenten mit einem Durchmesser von 3nm aggregieren.

• Acht Protofilamente bilden ein Intermediärfilament mit einem Durchmesser von 10 nm.

Collagen

• In Säugetieren ist Collagen das quantitativ wichtigste Protein..

• Collagen kommt in zahlreichen Formen, vor allem im Bindegewebe vor.

• Ein Drittel der Aminosäuren entfällt auf Glycin (Gly) und je 10% auf Prolin (Pro), Hydroxyprolin (Hyp) und Hydroxylysin (Hyl).

• In der Sequenz der Collagene wiederholt sich ständig das Triplett Gly-x-y, wobei die Positionen x und y häufig von Pro und Hyp eingenommen werden.

• Liegt weitgehend als Tripelhelix vor.

Strukturproteine

Globuläre Proteine

• Sind kugelförmig (globulär)

• Besitzen in ihrer aktiven Form eine definierte Raumstruktur (native Konformation)

• Zerstört man diese (durch Denaturierung), verschwindet die biologische Wirkung, meist fällt das Protein auch in unlöslicher Form aus.

• Die native Konformation wird stabilisiert durch

- Wasserstoffbrücken (nicht nur zwischen Sekundärstrukturen, sondern auch zwischen Seitenketten weiter entfernter Reste.

- Disulfidbrücken

- Komplexbildung mit Metallionen

Lösliche Proteine

Globuläre Proteine II

• Besonders wichtig für die Proteinstabilität ist der hydrophobe Effekt

• In der nativen Form sind die meisten hydrophoben Aminosäurereste im Inneren der Struktur angeordnet, während die Mehrzahl der polaren Aminosäuren in Kontakt mit dem umgebenden Wasser auf der Oberfläche liegt.

• Zur Denaturierung kommt es bei extremen pH-Werten, hohen Temperaturen, oder Einwirkung von organischen Lösungen, Detergenzien u.a. Substanzen, z.B. Harnstoff.

• Rückkehr zur nativen Form möglich (Bsp. Ribunuclease)

Lösliche Proteine

Proteinmodifizierung (posttranslational)

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Proteinmodifizierung (posttranslational)

• Findet meist im Endoplasmatschen Retikulum statt• Man schätzt, dass im tierischen Organismus 80% aller Proteine N-terminal acyliert werden, wobei lösliche Proteine meist acetyliert sind.

• Glykolisiert werden vor allem extrazelluläre Proteine (z.B. Plasmaproteine [außer Albumin]).

• Bei Plasmaproteinen dient die Glykolisierung der Erkennung durch Rezeptoren in der Leber, bei Mucinen (Schleimstoffen) erhöht sie die Wasserbindungsfähigkeit.

• Die Phosphorylierung (und Dephosphorylierung) spielt bei der Regulation von Stoffwechsel, Zellproliferation und Zelldifferenzierung eine Rolle.

• Die Acetylierung der -Aminogruppe des Lysins ist ein wichtiger Mechanismus zur Kontrolle der Genaktivität.

• Auch viele Coenzyme und Cofaktoren sind kovalent mit Lysin verbunden.

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Funktionen der Proteine

• Strukturproteine sind für Form und Stabilität von Zellen verantwortlich.

• Transportproteine- Hämoglobin der Erythrozyten (Transport von Sauerstoff

und Kohlendioxid zwischen Lunge und den Geweben)- Albumine im Blutplasma transportieren körpereigene und

körperfremde Substanzen.- Ionenkanäle und andere integrale Membranproteine

vermitteln den Transport von Ionen und Metaboliten durch Membranen.

• Abwehrproteine (Immunglobuline, Antikörper) unterstützen die spezifische Immunabwehr.

23M. Kresken

Funktionen der Proteine

• Regulatorische Proteine wirken als Signalstoffe (Hormone) oder Rezeptoren.

• Katalytische Proteine (Enzyme)- > 2.000 bekannte Vertreter- Massen von 10-15 kDa bis > 500 kDa

• Motorproteine - das Zusammenspiel von Actin und Myosin ist für die Muskelkontraktion verantwortlich.

• Speicherproteine – 6 kg Muskelprotein können in Hungerphasen als Nährstoffreserve zur Verfügung gestellt werden.

Funktionen der Proteine

Strukturbildung

Bewegung

Transport

Katalyse

Regulation

AbwehrAlkohol-Dehydrogenase

Glutamin-Synthetase

Transsprip-tionsfaktor

Histone

Collagen-Trippelhelix

F-Actin

Myosin

Immunglobulin

IonenkanalSomatropin-Rezeptor

Somatropin

Präalbumin

Insulin

Hamoglobin

DNA

10 nm

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Zusammengesetzte Proteine

• Mit Zucker - Glycoproteine

• Mit Lipiden - Lipoproteine

• Häm - Hämoglobin

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Glykoproteine

• Proteine an der Oberfläche der Plasmamembran sind meist, cytoplasmatische Proteine selten glycosyliert.

• Können mehr als 70% Kohlenhydrat enthalten

27M. Kresken

Lipoproteine

• Lipoproteine sind Aggregate aus Lipiden und Proteinen (sog. Apoproteine).

Hämoglobin

• Erythrozyten enthalten den Farbstoff Hämoglobin, der Sauerstoff und Kohlendioxid reversibel bindet.

• Annähernd kugelförmiges Molekül • Besteht aus vier gefalteten Polypeptidketten (2 α-Ketten mit je 141 AS

und 2 β-Ketten mit je 146 AS), von denen jede ein nahezu ebenes Häm-Molekül gebunden hat.

29M. Kresken

Enzyme

• Enzyme sind Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen.

- Es gibt auch Biokatalysatoren, die keine Enzyme sind (Ribozyme, katalytisch aktive RNA)

• Jede Zelle verfügt über eine eigene genetisch festgelegte Enzymausstattung, über die koordinierte Reaktionsfolgen entstehen (Stoffwechselwege).

• Enzyme sind auch an Regulationsmechanismen beteiligt, die auf diese Weise den Stoffwechsel an veränderte Bedingungen anpassen.

30M. Kresken

Spezifität der Enzyme

• Die Wirkung der meisten Enzyme ist hochspezifisch.• Dies bezieht sich auf den Typ der katalysierten

Reaktion (Wirkungsspezifität) wie auch auf die Art der Verbindungen, die sie katalysieren (Substratspezifität).

• Außerdem sind die meisten Enzyme in der Lage zwischen Stereoisomeren zu unterscheiden (Stereospezifität).

31M. Kresken

Spezifität der Enzymkatalyse

*Km, Michaelis-Konstante

*

32M. Kresken

Klassifizierung der Enzyme

• Sechs Hauptklassen, Unterklassen• EC-Nummer• Lactatreductase (1.1.1.27)

• Klasse 1: Oxidreduktasen• 1.1. CH – OH-Gruppe als Elektronendonator

• 1.1.1. NAD(P)+ als Akzeptor

33M. Kresken

Klassifizierung der Enzyme

• Der Name eines Enzyms setzt sich aus drei Teilen zusammen:

- Name des umgesetzten Substrats- Art der katalysierten Reaktion- Silbe -ase als Endung

Lactat-Dehydrogenase

34M. Kresken

Klassifizierung der Enzyme• Oxidreduktasen (Klasse 1) katalysieren Redox-Reaktionen;

Übertragung von Elektronen• Transferasen (Klasse 2) übertragen Gruppen, z.B. Amino-Gruppen,

Phosphat-Reste- Enzyme der Klassen 1 und 2 benötigen stets Coenzyme

• Hydrolasen (Klasse 3) übertragen Gruppen; Akzeptor ist kein Coenzym, sondern ein Wassermolekül

• Lyasen (Klasse 4) (je nach bevorzugter Reaktionsrichtung auch als „Synthasen“ bezeichnet) katalysieren die Spaltung oder Bildung chemischer Bindungen. Dabei können Doppelbindungen entstehen oder verschwinden.

• Isomerasen (Klasse 5) verschieben Gruppen innerhalb eines Moleküls; keine Änderung der Summenformel

• Ligasen (Klasse 6, „Synthetasen“) katalysieren Verknüpfungsreaktionen; sind energetisch an die Spaltung von Nucleosidtriphosphaten (meist ATP) gekoppelt

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Enzym-katalysierte Reaktion

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Coenzyme, Cofaktoren

• Enzyme, die Gruppenübertragungsreaktionen katalysieren, benötigen in der Regel Coenzyme

• Da Coenzyme selbst nicht katalytisch aktiv sind, ist der weniger gebräuchliche Begriff „Cosubstrate“ zutreffender.

- Lösliche Coenzyme werden während der Reaktion wie Substrate gebunden, chemisch verändert und wieder frei gesetzt.

- Als prosthetische Gruppen bezeichnet man dagegen Coenzyme, die fest an ein Enzym gebunden sind und dieses während der Reaktion nicht verlassen.

• Viele Coenzyme sind aromatische Verbindungen, die von tierischen Zellen nicht von Grund auf synthetisiert werden. Ihre Vorstufen müssen daher als Vitamine mit der Nahrung zugeführt werden.

• Auch Metall-Ionen können als Cofaktoren von Enzymen dienen. Manche stabilisieren die native Konformation des akiven Zentrums, andere beteiligen sich an Redox-Reaktionen (Spurenelemente).

37M. Kresken

Coenzyme (Auswahl)

• Redox-Coenzyme- NAD(P)+/NADH(P) (übertragen Hydrid-Ionen – 2e- und 1 H+)- Flavine (2e- / 2 H+), Ubichinon – Coenzym Q (2e- / 2 H+),

Ascorbinsäure – Vitamin C (2e- / 2 H+), Liponamid (2e- / 2 H+), Häm (1e-)

• Gruppen-übertragende Coenzyme- Nucleosidphoshate - Übertragung von Phosphatresten

(Phosphorilierung)- Coenzym A (enthält Pantothenat) – Übertragung von

Acylresten

- Tetrahydrofolat – Übertragung von C1-Gruppen

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NAD(P)+

Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid(Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid)

Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat(Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat)

L, lösliches Coenzym

Nucleosidphosphate / Coenzym A

(Wasserlösliche) Vitamine

(Wasserlösliche) Vitamine II