1M. Kresken
Biologisch wichtige organische Verbindungen II
2M. Kresken
Proteine
3M. Kresken
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
5M. Kresken
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
7M. Kresken
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.
14M. Kresken
Proteine
• Man unterscheidet:
- Strukturproteine
- Lösliche Proteine
15M. Kresken
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)
21M. Kresken
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
25M. Kresken
Zusammengesetzte Proteine
• Mit Zucker - Glycoproteine
• Mit Lipiden - Lipoproteine
• Häm - Hämoglobin
26M. Kresken
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
35M. Kresken
Enzym-katalysierte Reaktion
36M. Kresken
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
38M. Kresken
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