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

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Proteine

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Erlaubte Konformationen in der Peptidkette

so nicht ->

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Ramachandran-Diagramm

Helices in Proteinen sind rechtsgängig

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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.

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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.

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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

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Sekundärstruktur: α-Helices

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Ramachandran-Diagramm

Helices in Proteinen sind rechtsgängig

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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

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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

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Sekundärstruktur: β-Faltblätter

β-Helices werden aus β-Faltblättern gebildet (z.B. Pectat Lyase 2pec)

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Ramachandran-Diagramm

Helices in Proteinen sind rechtsgängig

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Aminosäuren haben Präferenzen

Helix-Bildner/Sheet-BrecherSheet-Bildner/Helix-Brecher

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Vorhersage von Sekundärstrukturen

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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

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Strukturgebende Elemente

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Flexibilität

• Chemische Bindung sindflexibel bei Temperaturen>0 K

• Flexibilität variiert im Protein

• Wichtig z.B. fürEnzymaktivität

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Stabilisierung durch post-translationale Modifikation

Disulfidbrücke(Trypsininhibitor)

Cofaktor-Bindung(Cytochrom c) Koordinierung von Ionen

(Ca2+ in Subtilisin)

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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

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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

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Alpha-Domänen

4-Helix-Bündel(Myohemerythrin)

SauerstofftransportNukleinsäurebindungElektronentransport

Globin-Fold(Myoglobin)

Tasche aus 8 Helices,Bindung org. oder

org.metallischer Moleküle

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Beta-Domänen

Immunglobulin Fold(Immunglobulin A)

Antiparallele β-Sheets Jelly Roll(Bakteriochlorophyll A)Antiparallele β-Sheets

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Seidenprotein bildet Beta-Sandwich

Seidenspinner (Maulbeerspinner)Bombix mori

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Alpha/Beta-Domänen

alpha/beta Barrel(TIM barrel)

10% aller Enzymstrukturen

alpha/beta Twist(Asp Semialdehyd-Dehydrogenase)

alpha/beta Sattel(TATA bindendes Protein)

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Quartärstruktur

• Bei Proteinen, die aus mehr als 2 Untereinheiten bestehen• Räumliche Anordnung der Polypeptidketten

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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

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Kleine Änderung – große Wirkung

Punktmutation im Hämoglobin Glu6Val führt zur Sichelzell-Anämie:Bildung von Polymeren durch hydrophoben Bereich auf der Oberfläche

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Quartärstrukturen

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Quartärstrukturen

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Protein Faltung

denaturiertes ProteinFaltung/

Renaturierung

natives Protein

Denaturierung

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Chaperone helfen bei der Faltung

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• 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

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... 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

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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

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α-Keratin

z.B. in:

• Haar

• Wolle

• Nägeln

• Hufen

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α-Helix im Vergleich mit Collagen Helix

rechtsgängig linksgängig

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Ramachandran-Diagramm

Helices in Proteinen sind rechtsgängig

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Collagen

z.B. in:• Knochen• Zähne• Knorpel• Sehnen• Bänder• Haut

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Proteinstrukturen

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Röntgenkristallographie

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PDB Datenbank

Sämtliche publizierte Strukturen sind in der PDB Datenbank abgelegtwww.pdb.org

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Programme für 3D Molekülstrukturen

Beispiele für Freeware:

Swiss pdb Viewer:

http://expasy.org/spdbv/

Pymol:

http://pymol.sourceforge.net/

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Struktur der β-Lactamase

Bändermodell

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Lactamase mit Hydrathülle

Strichmodell

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Lactamase Kalottenmodell

Struktur ohne H2O mit K+ und PO43-

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Die Oberfläche eines Proteins (z.B. Lactamase)

Abstand zum Liganden

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Die Oberfläche eines Proteins II

Elektrostatik Hydrophobizität

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Enzyme - Flexibilität

Triosephosphat-Isomerase

Schleife schließt dasaktive Zentrum

offen

geschlossen

Myoglobinje heller, desto flexibler

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Enzyme - Flexibilität

T4 Lysozymzwei Domänen durchScharnier verbunden

Aspartat AminotransferaseSubstratbindestelle zwischen

Domänengrün offen, gelb geschlossen

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Methoden der Proteinbiochemie

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Protein-Löslichkeit in Abhängigkeit der Ionenstärke

K. Arndt, 2007

Dialyse zum Umpuffern

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Auftrennung von Proteingemischen: Gelelektrophorese

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Chromatographie

Größenausschlusschromatographie / Gelfiltration

K. Arndt, 2007

Protein Metabolismus

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Protein Abbau durch Proteasomen

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

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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

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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