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Nanotechnologie der Biomoleküle
Aminosäuren und Proteine:
Bausteine der Biologie und der Bionanotechnologie
Aufbau
Struktur
Funktion
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Das Miller-Urey-Experiment (auch Urey-Miller-Experiment oder Miller-Experiment) dient der Bestätigung der Hypothese, dass unter den Bedingungen einer postulierten Uratmosphäre eine Entstehung organischer Moleküle, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, möglich ist.Stanley Miller simulierte 1953 zusammen mit Harold Clayton Urey im Labor der University of Chicago eine hypothetische frühe Erdatmosphäre. Das Experiment beschrieb er in seiner Veröffentlichung: Herstellung von Aminosäuren unter möglichen Bedingungen einer einfachen Erde.Im Miller-Urey-Experiment mischt man einfache chemische Substanzen einer hypothetischen frühen Erdatmosphäre – Wasser (H2O), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Wasserstoff (H2) – und setzt diese Mischung elektrischen Entladungen aus, welche die Energiezufuhr durch Gewitterblitze nachbilden sollen. Dabei entstehen nach einer gewissen Zeit organische Moleküle. Die Analyse des entstehenden Molekülgemisches wurde mittels Chromatographie durchgeführt.
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Zunächst entstehen aus den Ausgangsstoffen Aldehyde (R-CHO) und Blausäure(Cyanwasserstoff HCN) als erste Zwischenprodukte.In einer darauf folgenden Mehrstufenreaktion reagieren die Aldehyde mit Ammoniak als Katalysator zu Aminosäuren:
H2N-CHR-COOH→R-CHO + HCN + H2O
So entsteht aus dem Aldehyd Methanal (H2C=O) die Aminosäure Glycin, aus Ethanal (CH3-CHO) entsteht Alanin.
HO-CHR-COOH + NH3→R-CHO + HCN + 2 H2O
Aus Methanal entsteht die Glykolsäure (α-Hydroxy-ethansäure), aus Ethanaldie Milchsäure (α-Hydroxy-propansäure) und aus Propanal (CH3-CH2-CHO) die α-Hydroxybuttersäure.
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Proteine sind die eigentlichen "Arbeitstiere" der Zelle.Beispiele: Enzyme, Strukturproteine,
Regulatoren der Genexpression
Viele Proteine bestehen aus 20 Aminosäuren(= proteinogene AS)alle enthalten: 1 Aminogruppe
1 Carboxylgruppe
Proteine
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Proteine
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- Standard Einheit eines Proteins: kDa (kilo Dalton)
- 1 Wasserstoffatom entspricht 1 Da
- 1 Kohlenstoffatom entspricht 12 Da
- Durchschnittliches Gewicht einer Aminosäure
110 Da
- ein Polypeptidschwanz besteht aus etwa 1000
Aminosäuren wiegt ungefähr 110000 Da (110 kDa)
Einheit und Gewichte von Proteinen
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Chemischer Aufbau von Aminosäuren:
H
R
H3+N C COO-
CarboxylgruppeAminogruppe α
Primärstruktur: Aminosäuren
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kann sehr unterschiedlich sein:hydrophob A, L, I, V, M, C, W, F, Phydrophil D, E, K, R, Hgroß W, Rklein G, A, Ssauer D, Ebasisch K, R, Haromatisch W, F, Ypolar S, T, Y, N, Q
R
Aminosäuren
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A Alanin M MethioninC Cystein N AsparaginD Asparaginsäure P ProlinE Glutaminsäure Q GlutaminF Phenylalanin R ArgininG Glycin S SerinH Histidin T ThreoninI Isoleucin V ValinK Lysin W TryptophanL Leucin Y Tyrosin
Aminosäuren
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H2O
CNH
H
H
R
C
O
OHCCN
H
R
O
H
Verknüpfung von Aminosäuren
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O
Cα
C
Cα
N
H
• Die Peptidbindung liegt in einer Ebene, sie hat partiellen Doppelbindungscharakter.
• Freie Drehbarkeit ist nur um die Cα-Atome möglich!
Verknüpfung von Aminosäuren
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(kovalente Bindung)
KondensationsReaktion
Verknüpfung von Aminosäuren
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Polypeptidschwanz
ÜberrestEin kurzer Polypeptidschwanz wird kurz als Peptid bezeichnet
Peptid-Rückrad
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Polypeptidschwänze besitzen eine Orientierung
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Organische Strukturen
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• PrimärstrukturSequenz (Abfolge) der Aminosäuren eines Proteins
• SekundärstrukturFaltung einer Polypeptidkette
• TertiärstrukturFaltung in komplexe, dreidimensionale Strukturen
• QuartärstrukturOrganisation mehrerer Proteine in einem Komplex höherer Ordnung
Struktur von Proteinen
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Es gibt drei 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.
• Loops and turns
Struktur von Proteinen
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• Gründer der Forschung an biologischen Strukturen
• Begin der Forschung an Proteinen nach 1930
• 1951 erste Voraussagen zur Existenz der α-Helix & β-Faltfäche
Linus Pauling & Robert Corey
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α-Helix:
• Das Rückgrat der Helix beschreibt eine schraubenartige
Windung.
• Die Geometrie der Helix ist durch
H-Brücken stark stabilisiert.
• Die Seitenketten zeigen vom Zylinder nach außen.
Sekundärstrukturen von Proteinen
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Cα
Cα
Cα
C
C
C
N
NN
Cα
Cα
Cα
Cα
NN
N
N
C
C
C
α-Helix: "Rückgrat"
Sekundärstruktur von Proteinen
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[1]
Cα
Cα
Cα
C
C
C
N
NN
Cα
Cα
Cα
Cα
NN
N
N
C
C
C
[2][3]
[4][5]
[6]
"Rückgrat"einzelne AS
[7]
Sekundärstruktur von Proteinen
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[1]
Cα
Cα
Cα
C
C
C
N
NN
Cα
Cα
Cα
Cα
NN
N
N
C
C
C
[2][3]
[4][5]
[6]
O
O
O
O
O
"Rückgrat"+ CO
[7]
Sekundärstruktur von Proteinen
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[1]
Cα
Cα
Cα
C
C
C
N
NN
Cα
Cα
Cα
Cα
NN
N
N
C
C
C
[2][3]
[4][5]
[6]
O
O
O
O
O
"Rückgrat"+ CO + NH
H
HH
H
HH
[7]
Sekundärstruktur von Proteinen
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O
[1]
Cα
Cα
Cα
C
C
C
N
NN
Cα
Cα
Cα
Cα
NN
N
N
C
C
C
[2][3]
[4][5]
[6]
O
O
O
O
O
"Rückgrat"+ CO + NH+ H-Brücken
H
HH
H
HH
[7]
Sekundärstruktur von Proteinen
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R
O
[1]
Cα
Cα
Cα
C
C
C
N
NN
Cα
Cα
Cα
Cα
NN
N
N
C
C
C
[2][3]
[4][5]
[6]
O
O
O
O
O
"Rückgrat"+ CO + NH+ H-Brücken+ Reste
H
HH
H
HH
R
R
R
R
RR[7]
Sekundärstruktur von Proteinen
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Pauling und Corey zeigten, dass die Struktur durchWasserstoff-Bindungen stabilisiert werden
Warum bildet sich eine α-Helix?
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Wasserstoff-Bindungensind instabil im Vergleichzu kovalenten Bindungen
H--------O ~1-3 kcal/mol
H-O ~100 kcal/mol
Wasserstoff-Brückenbindungen
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Jedes “Wasserstoff-Ende” einer Aminosäure bindetan ein Sauerstoffatom, welches vier Aminosäurenweit entfernt ist.
Wasserstoff-Brückenbindungen
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3.6 Aminosäuren/Umfang
Sekundästruktur: α-Helix
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• im zick-zack verlaufende Kette
• mind. 2 derartige Ketten liegen nebeneinander und
zwischen ihnen verlaufen H-Brücken
• die Reste ragen aus der dadurch gebildeten Ebene nach
oben und unten
ß-Faltblatt
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CαCα
CN
N
"Rückgrat"
CCα
Cα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
ß-Faltblatt
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CαCα
CN
N
"Rückgrat"
CCα
Cα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
ß-Faltblatt
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CαCα
CN
N
"Rückgrat"+ CO
CCα
Cα
CN
NC
CαCα
CN
NC
CαCα
CN
NC
O O
O O
O O
OO
ß-Faltblatt
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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
ß-Faltblatt
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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
ß-Faltblatt
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β-Faltblatt:
Cα
Cα
CONH
NCO
Cα
Cα
CO
NHNH
CO
R R
R R
Sekundärstruktur von Proteinen
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Sekundärstruktur: ß-Faltblatt
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• α-Helix und ß-Faltblatt sind lineareStrukturen
• Was passiert wenn ein Polypeptid eineKrümmung benötigt: Loops and Turns!
• Loops haben keine regulärenStrukturen
GrünFluoreszierendesProtein (GFP)
Sekundärstruktur: Loops & Turns
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Tertiärstruktur eines Proteins
• Hydrophile Proteine finden sich in wässrigen Cytoplasmen
• Hydrophobe Proteine sind in Zellmembranen eingebettet
• Die Aussenseite eines Proteins ist hydrophob oder hydrophil
• Die Kräfte, die tertiäre Strukturen zusammen halten günden sich auf:
Wasserstoff-Bindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkung, Van der Waals
Kräfte, hydrophobe Wechselwirkung und Disulfid-Bindung
Tertiärstruktur
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Stabilisierung der Ternärstruktur von Proteinen
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Prionen:- BSE- KURU- Creutzfeld-Jacob- Alzheimers- Parkinson
Krankheiten durch fehlerhafte Proteinfaltung
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Disulfid-Bindung
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Keratin im Haar
Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung
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Keratin (Haar)
Praktische Bedeutung der Disulfid-Bindung
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Membran
NH2
COOH
Kanalproteine
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Mehrere α-Helices können
sich zusammenlagern:
hydrophobe Außenseite(eingebettet in die Membran)
hydrophiles Zentrum
Kanalproteine
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= geladen= hydrophob
Intaktes Molekül Schnitt durch Molekül
Tertiärstruktur
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= geladen= hydrophob
Porin, einMembran-Protein
Porin, Kanalprotein
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Alternierende Folge von polaren und unpolaren Aminosäuren
Porin: Nanoventil in Zellmembran für Wasser
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Porin: Nanoventil in Zellmembran für Wasser
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Porin: Nanoventil in Zellmembran für Wasser
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• Einige Proteine haben mehrere Untereinheiten
• Anzahl der Untereinheiten variiert
• Untereinheiten können identisch oder
verschieden sein
Quartärstruktur
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• Hemoglobin: 64.5 kDa• Besteht aus 2 α and 2 β Untereinheiten
Quartärstruktur
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Quartärstruktur
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Kristall aus
Myoglobin
Quartärstruktur
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Strukturaufklärung mit Hilfe von Röntgenbeugung
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Berechnung der Valenzelektronenverteilung