Grundlagen der Molekularen Biophysik WS 2011/12
(Bachelor)
Dozent: Prof. Dr. Ulrike Alexiev
(R.1.2.34, Tel. 56100/Sekretariat Frau Endrias Tel. 53337)
Tutoren: Dr. Kristina Kirchberg
Alexander Boreham
6-stündig (2x2-stündige Vorlesung, 1x2-stündige Übung)
Vorlesung: Di, Do 8.30-10 Uhr Beginn: 18.10.11 (FBR Raum)
Übung: Mo 8:30-10 Uhr, 10-12 Uhr
Beginn: 24.10.11 SR E2, FBR Raum
Folgende Folien sind nur zur Verwendung in der Vorlesung und nicht für
Veröffentlichung und Weiterverbreitung
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Kovalent
Bakteriorhodopsin
Rhodopsin
C-term
C316
F313
Y306
P303 N302
N55
D83 S299
S298
K296
E113
E181
Ret
W126
H211
E122
Y136
T251
E247
E134
R135
H8
1
2
3
4 5
6
7
hn
Retinal ist als Kofaktor kovalent über eine protonierte Schiffsche base an ein
Lysin Rest des Opsins gebunden
Eine Möglichkeit:
Bindung von Aldehyden oder Ketonen an Proteine kann durch
Ausbildung einer Schiff'schen Base zwischen der Carbonyl-Gruppe
Carbonyl-Gruppe und der Amino-Gruppe einer Lysin-Seitenkette
erfolgen
Kovalente Bindung von Kofaktoren an Proteine
Carbonyl-Gruppe
z.B. Retinal
(Vitamin A-Aldehyd)
Amino-Gruppe
von Lysin-Seitenkette
z.B. Lys216
in Bacteriorhodopsin
Schiff'schen Base
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Kovalent
z.B.
Bakteriorhodopsin
Rhodopsin
Nicht-Kovalent
z.B.
Chlorophyll
Photosynthese
Chlorophylle sind nicht-kovalent in großen Proteinkomplexen gebunden
Struktur des Antennenkomplex LH2 eines
Purpurbakteriums. Die BChl sind gelb
(B800) und orange (B850) gezeichnet.
Zur besseren Übersichtlichkeit wurden
die Phytylschwänze nicht gezeichnet und
die Proteinumgebung transparent
dargestellt. Die Magnesiumatome im
Zentrum der BChl sind als Kugeln
dargestellt.
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Kovalent
z.B.
Bakteriorhodopsin
Rhodopsin
Nicht-Kovalent
z.B.
Chlorophyll
Komplexbildung
z.B.
Fe-S-Cluster
Fe-S-Cluster
Rieske protein is a iron-sulfur protein (ISP) component of cytochrome bc1
complex and the cytochrome b6f complex which was first discovered and isolated
by John S. Rieske and co-workers in 1964. It is a unique [2Fe-2S] cluster in that
one of the two Fe atoms is coordinated by two histidine residues rather than two
cysteine residues.
1bcc
Kofaktoren im Überblick
I. Pigment, Chromophore
II. Redoxfaktoren,
Elektronentransport
III. Katalysatorfunktion,
Substrataktivierung
IV. Reine Strukturfunktion
Metallfreie Pigmente
(Carotinoide, Retinale, Phycocyanin etc)
Metall-organische Pigmente
(Hämgruppe, Chlorophylle, etc)
Organische Redox-Moleküle
(NAD, Chinon, Flavin, Ascorbinsäure, etc)
Redox-aktive Metall-Komplexe
(Fe-S Cluster, blaue Cu-Zentren, etc)
Redox-inaktive Metall-Komplexe
(Ca-Zentren, Zn-Zentren etc)
Alkohol-Dehydrogenase (ADH)
Alkohol-Dehydrogenase (ADH)
Bacteriorhodopsin (bR)
Cytochrom C oxidase (COX)
p-p* Übergänge
meistens stark
absorbierend
d-d Übergänge
schwach
absorbierend
Lig-Me-charge
transfer mittel bis
stark
absorbierend
I. Pigment, Chromophore
Spektroskopie
aus verschiedenen historischen oder sachlichen Gründen
gibt es unterschiedliche Einheiten zur Messung der
Frequenzen oder Wellenlängen:
Wichtigste Umrechnungsfaktoren:
1cm-1 = 29.9 GHz = 1.2398 x10-4 eV
1 kcal/kmol = 0.349cm-1
Korrekte Zusammenhänge
][
][1
1
1
-
-
sh
Energiecv
cmhc
Energie
c
v
n
Optische Molekülspektren
Gesamtanregungsenergie eines Moleküls
Rotationsspektren:
Übergänge zwischen den Rotationsniveaus eines gegebenen Schwingungsniveaus in
einem bestimmten Elektronenzustand (Mikrowellen, Ferninfrarot
Ramanspektroskopie)
Rotationsschwingungsspektren:
Übergänge von den Rotationsniveaus eines gegebenen Schwingungsniveaus zu den
Rotationsniveaus eines anderen Schwingungsniveaus im gleichen Elektronenzustand
(elektronischer Anregungszustand bleibt erhalten), (Infrarot Infrarot- und
Ramanspektroskopie)
Elektronenspektren:
Übergänge zwischen den Rotationsniveaus der verschiedenen Schwingungsniveaus
eines Elektronenzustandes und den Rotations-und Schwingungsniveaus eines anderen
Elektronenzustandes. Enhält alle Schwingungsbanden des betreffenden
Elektronenübergangs, jede mit ihrer Rotationsstruktur. (Nahinfrarot, Sichtbar, Ultraviolett
Elektronische Bandenspektroskopie)
rotvibel EEEE
Moleküle, Chemische Bindung und Molekülorbitale
Die chemische Bindung kommt durch die äusseren Elektronen (Valenzelektronen),
die schwächer an den Kern gebunden sind, zustande.
Kohlenstoff
Moleküle, Chemische Bindung und Molekülorbitale
Die chemische Bindung kommt durch die äusseren Elektronen (Valenzelektronen),
die schwächer an den Kern gebunden sind, zustande.
Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen.
Aufenthaltsort der Elektronen kann nur durch eine Wahrscheinlichkeitsfunktion
(Wellenfunktion als Lösung der Schrödingergleichung) bestimmt werden. Die
Wellenfunktion kann durch sog. Wahrscheinlichkeitswolken oder -schalen
visualisiert werden.
K-Schale (s)
M-Schale (s,p)
zwei Elektronen besetzen die innere 1s-Schale.
zwei Elektronen besetzen das 2s-Niveau der zweiten Schale
zwei Elektronen besetzen das 2px- und 2py- Niveau (auf zwei der drei Zustände
2px, 2py, 2pz) 2s2p (Aufspaltungsenergie 4eV)
Hybridisierung Beispiel Kohlenstoff
Bildung von 4 energetisch gleichwertigen sp3-Orbitalen
Der mit der Hybridisierung verbundene Energieaufwand (4eV) wird durch
die chemische Bindung wiedergewonnen.
Entartung der 2s und 2p Zustände -> Störungstheorie der Entartung:
Linearkombinationen der alten mit einander entarteten Wellenfunktionen
(LCAO-Methode)
-> Ladungsschwerpunkt hat sich gegenüber s-Funktion verschoben
Überlappen sich die sp3-Orbitale von Atomen, können sie feste kovalente
Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur widerspiegeln. z.B. Methan
CH4 (4 H an den Spitzen des Tetraeders, tetragonale Hybridisierung )
Hybridisierung bei Ethylen und Benzol
trigonale Hybridisierung:
Wellenfunktionen vom s, px, py Typ bilden drei Vorzugsrichtungen in einer
Ebene durch geeignete Linearkombinationen : sp2 –Hybridisierung
vierte Wellenfunktion pz spielt Rolle bei Bindung
C-C Bindung Beiträge von s, px - Zustand
zusätzlicher Elektronen Beitrag vom freien pz-Zustand -- zusätzlicher
Bindungseffekt = Doppelbindung
Ethylen
Benzol
alle 6 pz-Zustände sind gleichwertig -> Elektron kann also im Prinzip in jedem
dieser Zustände sitzen delokalisierte p-Elektronenwolke
trigonale Hybridisierung, aehnlich wie Ethylen sp2 –Hybridisierung,
hier Ringstruktur s -Bindungen
Bahnwellenfunktionen von Elektronen in Molekülen nennt man s,p, d,... analog zu
s, p, d,.. Orbitalen in Atomen.
Elektronische Spektren grösserer Moleküle
-Anregung ganz verschiedener Elektronen im Molekül moeglich
-Drei Grenzfälle von Anregung:
1) Lichtabsorption durch am Zusammenhalt des Moleküls nicht beteiligte
Elektronen lokalisierte Gruppe im Molekül: Chromophor
2) Lichtabsorption durch bindende Elektronen, bei denen die Anregung zu
einer Dissoziation de Moleküls führen kann
3) Lichtabsorption durch nicht-bindende , aber über grössere Teile des
Moleküls verteilte Elektronen
Chromophor :
C=C Doppelbindung: Anregung durch einen pp*-Übergang bei ca. 180 nm (ca. 7eV)
C=O Carbonylgruppe: Anregung durch einen np*-Übergang bei ca. 290 nm
Anregung eines Elektrons des Sauerstoffs in ein vorher leeres p-Orbital
d.h. Übergang von einem vorher nichtbindenen Zustand in ein p-Orbital
n- nicht-bindend, p*- angeregtes p-Orbital
Absorptionsspektren von Aromaten
Aromate= Moleküle mit delokalisierten p-Bindungen
Absorption durch Elektronen in nicht-lokaliserten Orbitalen, die aber nicht für
den Zusammenhalt des Moleküls massgeblich sind
Phe (F) Tyr (Y) Trp (W)
Absorption von Licht:
Wichtig: Energiedifferenz zwischen zwei Zuständen eines Moleküls und
Wahrscheinlichkeit des Übergangs (alle möglichen Zwischenstufen
zwischen stark erlaubten und stark verbotenen Zuständen)
Lambert-Beersches Gesetz
Für die Lichtabsorption von Molekülen mit Konzentration c in einer
homogenen Probe der Dicke d gilt
cdeII - 0
I0- einfallendes Licht, I- von der Probe durchgelassenes Licht,
e- molarer Absorptions (Extinktions)koeffizient (M-1cm-1), molarer
Wirkungsquerschnitt für die Lichtabsorption
303,2/e cdI
Ie
0log
ecd – “Optische Dichte”, Absorbanz
Aromatenspektren
Je grösser das konjugierte p-Elektronensystem desto langwelliger die Absorption
2pz-Elektronen gehen sogenannte p-Bindungen ein, bei denen die Elektronen mit
einem Knoten der Aufenthaltswahrscheinlichkeit ueber das ganze Molekül verteilt
sind.
p-Bindungen sind weniger stark als s-Bindungen und werden bei geringerer
Quantenenergie als bei s-Bindungen angeregt
- pp*-Übergange sind die energetisch tieftsen Anregungen von Aromaten,
- zeigen ausgeprägte Schwingungsstruktur (Anregung zwischen
gebundenen Zuständen des Moleküls, Bindung bleibt erhalten)
- erhalten ein für das Molekül charakteristisches Schwingungsspektrum
Verschiebung nach kleineren Quantenenergien mit zunehmender Länge des
konjugierten (=delokalisiert) Systems
Konjugation findet auch in linearen Polyenen statt
Erklärung: aufgrund des längs der Kette frei beweglichen Elektrons
b-Carotin
Retinal
Erklärung: aufgrund des längs der Kette frei beweglichen Elektrons
Anschauliche erste Näherung mit Modell von Elektronen im Kasten bzw.
Potentialtopf
2
0
22
8 am
hnEn
Energieeigenwerte eines Elektrons (Masse m0) im eindimensionalen
Potentialtopf der Länge a
Mit n=1,2,3,…
b-Carotin: 11 Doppelbindungen mit 22 konjugierten Elektronen
in jedes Niveau n passen nur 2 Elektronen mit gegengesetztem Spin
n=1 bis n=11 im Grundzustand besetzt
Längstwellige Absorption bei 450nm bedeutet Übergang von n=11 nach n=12
(tiefster nicht besetzter Zustand)
-> Energiedifferenz 2
0
222
11128)1112()(
am
hEEE --
Erklärung: aufgrund des längs der Kette frei beweglichen Elektrons
Anschauliche erste Näherung mit Modell von Elektronen im Kasten bzw.
Potentialtopf
2
0
22
8 am
hnEn
Energieeigenwerte eines Elektrons (Masse m0) im eindimensionalen
Potentialtopf der Länge a
Mit n=1,2,3,…
b-Carotin: 11 Doppelbindungen mit 22 konjugierten Elektronen
in jedes Niveau n passen nur 2 Elektronen mit gegengesetztem Spin
n=1 bis n=11 im Grundzustand besetzt
Längstwellige Absorption bei 450nm bedeutet Übergang von n=11 nach n=12
(tiefster nicht besetzter Zustand)
-> Energiedifferenz 2
0
222
8)1112()450(
am
hnmE -
A7.17a
Retinal
Absorption in Lösung bei ca. 380 nm
Gebunden im Protein bei ca. 500 nm
kann zu 600nm verschoben werden in D85A
Protonierte Schiffsche Base und Gegenionen (elektrostatisches Feld in der
Chromophorbindungstasche)
Asp96
Asp85
COO-
Redox-aktive und nichtaktive Metall-Komplexe
Übergangsmetalle spielen eine Rolle:
Elemente von Scandium bis Nickel haben eine
nichtaufgefüllte innere 3d Schale:
Farbe und Paramagnetismus
Chemische Wertigkeit wird durch äussere
Valenzelektronen bestimmt, aber sie sind den
inneren 3d-Elektronen energetisch sehr eng
benachbart -> die 3d-Elektronen wechseln
zwischen den Schalen
Gilt ebenfalls für die 4d Übergangselemente
(z.B. Ruthenium)
d-Block Übergangselemente
.
Group 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Period 4 Sc 21 Ti 22 V 23 Cr 24 Mn 25 Fe 26 Co 27 Ni 28 Cu 29 Zn 30
Period 5 Y 39 Zr 40 Nb 41 Mo 42 Tc 43 Ru 44 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cd 48
Period 6 La 57 Hf 72 Ta 73 W 74 Re 75 Os 76 Ir 77 Pt 78 Au 79 Hg 80
Period 7 Ac 89 Rf 104 Db 105 Sg 106 Bh 107 Hs 108 Mt 109 Ds 110 Rg 111 Cn 112
Biologische Funktion anorganischer Elemente
•O2-Transport
•Elektronentransport (Energiehaushalt)
•Reaktionen mit kleinen Molekülen: O2,N2,H2, CO2, CH4, H2O2
•Aufbau und Abbau org. Verbindungen (Gruppenübertragungen,
radikalische Reaktionen)
•Strukturfunktion individueller Metallionen in Makromolekülen
•Biomineralisation
•Ladungstrager zur Informationsuebertragung
•Magnetotaxis, Gravitations-Sensing
•Chlorophyll in der Photosynthese
Weiter von Interesse weil:
•Toxizität anorg Elemente
•Therapeutika (Krebs)
•Biomemiticshe Substanzen
Metall Funktion, beteiligte Enzyme
Natrium Ladungsträger, osmotisches Gleichgewicht
Kalium Ladungsträger, osmotisches Gleichgewicht
Magnesium Struktur, Hydrolase, Isomerase
Calcium Struktur, Signalweiterleitung, Ladungsträger
Vanadium Stickstoff-Fixierung, Oxidase
Chrom ?
Molybdän Stickstoff-Fixierung, Oxidase, Oxo-Transfer
Wolfram Dehydrogenase
Mangan Photosynthese, Oxidase, Struktur
Eisen Oxidase, Sauerstofftransport und Speicherung
Elektronenübertragung, Stickstoff-Fixierung
Cobalt Oxidase, Alkylgruppenübertragung
Nickel Hydrogenase, Sauerstofftransport,Elektronenübertragung
Kupfer Oxidase, Sauerstofftransport, Elektronenübertragung
Zink Struktur, Hydrolase
FIGURE 2. UV-visible absorption spectroscopy
of wild type and ABCE1
mutants. A, spectra of WT ABCE1 isolated from S.
solfataricus (S. solf., black
line) or from E. coli (red line) as well as the mutants
C54S (green line) and C24S
(orange line) were recorded in the buffer C. WT
ABCE1 isolated from S. solfataricus
was incubated with the reductant sodium dithionite
(B) or the oxidant
potassium ferricyanide (C) at the indicated
concentrations for 2 min. All spectra
were recorded at a protein concentrations of 50 mM.
FeS clusters
d-d Übergänge:
Aufsplittung der d-Orbitale, Elektron geht von einem zum anderen d-
Orbital
In Übergangsmetall-Komplexen gibt es ein Splitting der Energielevel
der d Orbitale, hängt ab von jeweiligen Metall, seinem
Oxidationszustand und der Natur der Umgebung
Liganden-Metall-Charge Transfer:
Elektron geht von Liganden Orbital zu Metallorbital
Häufig wenn Metall in hochoxidierten Zustand
Ligandenfeldtheorie
Jahn-Teller-Theorem, Hundsche Regel