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Allgemeines zur Staatsexamensarbeit Was sind überhaupt Proteine

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Allgemeines zur Staatsexamensarbeit
Was sind überhaupt Proteine (aktueller Stand der Forschung)?
a. Eigenschaften von Proteinen
i. Klassifizierung von Proteinen (nur kurz)
ii. Bestandteile von Proteinen
iii. Die räumliche Struktur von Proteinen
1. Primär, sekundär, tertiär
2. Warum falten sich Proteine
a. Beteiligte physikalische Wechselwirkungen
iv. Grundlagen der Elektrostatik
Literatur:
Schünemann: Biophysik – Eine Einführung S.8- S.21[Physikalische Wechselwirkungen bestimmen die
Struktur von Proteinen, Analyse-Methoden (ASA, ADI, ACDI, etc.)]
Roland Glasner: Biophysik – Auflage 4 S.58 – S.63 [Grundlagen der Elektrostatik]
Löffler, Petrides, Heinrich: Biochemie & Panthobiochemie, 8.Auflage S.55- S.90[Klassifizierung von
Proteinen, Die räumliche Struktur von Proteinen, ]
Klassifizierung von Proteinen
Das menschliche Genom codiert etwa 30000 Gene für verschiedene Proteine, die die
Funktionsfähigkeit des Körpers aufrechterhalten. Proteine sind also überall in unserem Körper zu
finden. Diese große Menge an Makromolekülen lässt sich zunächst einmal grob unterteilen in solche
Proteine, die lediglich aus Aminosäuren aufgebaut sind, und solchen die noch einen
Nichtproteinanteil, die sogenannte prosthetische Gruppe enthalten. Die Proteinstrukturen, die im
Rahmen dieser Arbeit analysiert werden sollen entstammen der Gruppe die keine solche
prosthetische Gruppe besitzt.
Bestandteile von Proteinen
Proteine bestehen aus unverzweigten Ketten von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen
miteinander verknüpft sind. Sie sind also Aminosäurebiopolymere. Eine Peptidbindung entsteht
formal gesehen durch eine Wasserabspaltung von der Aminogruppe der einen und der
Carboxylgruppe der benachbarten Aminosäure. Dadurch gehen die freien α-Amino- und
Carboxylgruppen verloren liegen nun an den Enden des Proteins in freier Form vor. Es entsteht eine
wechselnde Folge von C-Atomen (aus der Carboxylgruppe) und N-Atomen (aus der Aminogruppe)
sowie der α-C-Atome, von denen die Seitenketten abgehen:
Die Sequenz *-N-Cα-C-N-Cα-C-* wird als Rückgrat der Peptidkette bezeichnet. Da dieses bei allen
Peptidketten identisch ist, werden die individuellen Eigenschaften eines Proteins durch die
Seitenketten der Aminosäuren bestimmt. Auf Grund der hohen Konzentration von Wasser in
Biosystemen liegt das Gleichgewicht der Bildung der Polipeptidbindung auf Seiten der Hydrolyse; die
Bildung der Peptidbindung verlagt deshalb Energie, ihre Spaltung durch spezifische Enzyme, die
Proteasen, ist energetisch begünstigt.
Biosynthese, Peptidbindung evtl.
Jedes Protein besitzt eine spezifische Zusammensetzung und Reihenfolge seiner Aminosäuren, die
durch die Basensequenz der Nucleinsäuren genetisch festgelegt ist.
Aminosäuren
Alle Aminosäuren besitzen denselben Aufbau. Sie
bestehen aus einem Aminoende, einem
Carboxylende und einem Wasserstoffatom. Diese
drei Strukturen sind über ein Kohlenstoffatom
miteinander verbunden. Der Unterschied
zwischen den 20 verschiedenen Aminosäuren
liegt nun aber in der Seitenkette, die ebenfalls am
Kohlenstoffatom hängt. Diese ist bei jeder
Aminosäure unterschiedlich.
Vielfalt der Proteine
Mit den 21 proteinogenen Aminosäuren kann theoretisch eine ungeheure Zahl von Polymeren mit
unterschiedlicher Sequenz und unterschiedlichen Eigenschaften gebildet werden. Wenn man die
sehr selten vorkommende 21. Proteinogene Aminosäure Selenocystein vernachlässigt, gibt es schon
für ein relativ keines Protein von 100 Aminosäuren 20 100 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten,
d.h. man kann hiermit theoretisch schon mehr verschiedene Sequenzen erzeugen als es
wahrscheinlich überhaupt Atome im Universum gibt (ca. 3x1078). Allerdings wird man in der Natur
nur eine beschränkte Anzahl an verschiedenen Proteinen finden, da nur die Proteine mit für das
Überleben der Organismen essentiellen Eigenschaften langfristig in der Evolution selektiert werden.
Peptide und Proteine
Gewöhnlich wird nach der Kettenlänge zwischen kurzkettigen Peptiden und langkettigen Proteinen
unterschieden. Traditionell setzt man die Grenze zwischen Protein und Peptid bei 100
Aminosäureresten. Allerdings werden auch kleinere Polypeptide in der Praxis als Proteine
bezeichnet, wenn sie für Proteine typische Eigenschaften haben (z.B. enzymatisch wirken).
Die Räumliche Struktur der Proteine
Die räumliche Struktur ist bei Proteinen von enormer Wichtigkeit, denn die Anordnung des Proteins
im dreidimensionalen Raum, lassen sich Schlüsse auf die Funktion des Proteins zu.
“Vielleicht die bemerkenswerteste Eigenschaft des Moleküls ist seine Komplexität und die
Abwesenheit von Symmetrie. Der Anordnung scheinen die Regelmässigkeiten, die man
instinktiv erwartet, fast völlig zu fehlen, und sie ist komplizierter als von irgendeiner Theorie
der Proteinstruktur vorhergesagt.” — John Kendrew, 1958
Grundsätzlich kann man zwischen 4 Strukturen unterscheiden:
1. Primärstruktur: Als Primärstruktur bezeichnet man die ungefaltene Aminosäurekette, welche
alle weiteren Strukturen bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass Proteine mit einer
signifikanten Sequenzhomologie (> 25% Sequenzidentität) fast immer sehr ähnliche
dreidimensionale Strukturen besitzen. Je größer die Sequenzhomologie ist, umso ähnlicher
ist auch die dreidimensionale Struktur. Eine Umkehrung dieser Aussage ist nicht zutreffend.
2. Sekundärstruktur: Die Sekundärstruktur bezeichnet einzelne Elemente, die in einem
gefaltenen Protein zu finden sind:
a. α-Helix: Diese Struktur windet sich rechtshändig mit 3,6 Aminosäuren pro Windung.
In einer solchen Struktur treten häufig bestimmte Aminosäuren auf, z.B. Ala, Glu,
Leu, Met.
b. β-Faltblatt: Diese Strukturen bestehen aus parallelen oder antiparallelen β-Strängen
und setzen sich aus mehreren getrennten Teilen der Primärstruktur zusammen. Zu
einer solchen Struktur kommt es, wenn sich Wasserstoffbrücken zwischen CO- und
NH-Gruppen des Polypeptidrückgrats zweier nebeneinanderliegender β-Stränge
ausbilden.
c. Loops: Die allermeisten Proteine sind aus Kombinationen von regelmäßigen
Sekundärstrukturelementen – α-Helizes und β-Faltblättern – aufgebaut, die durch
Loopregionen variabler Länge und irregulärer Form verbunden sind. Viele dieser
Loops befinden sich an der Proteinoberfläche. Insertionen und Deletionen in den
Aminosäuresequenzen homologer Proteine treten fast ausschließlich in
Loopregionen auf.
Gewisse Kombinationen regelmäßiger Sekundärstrukturelemente zu einer spezifischen
geometrischen Anordnung kommen oft in Proteinen vor: Motive bzw.
Supersekundärstrukturen. Das Motiv ist ein struktureller Begriff. Einigen Motiven kann eine
bestimmte biologische Funktion zugeordnet werden, andere wurden bisher lediglich als Teil
größerer struktureller und funktioneller Einheiten erkannt.
3. Tertiärstruktur: Eine Domäne ist die grundlegende Einheit der Tertiärstruktur. Sie ist eine
Polypeptidkette oder ein Teil einer Polypeptidkette, die unabhängig (von anderen Teilen des
Proteins) eine stabile dreidimensionale Struktur ausbilden kann. Sehr oft sind Domänen auch
funktionelle Einheiten. Dagegen bezeichnet eine Untereinheit (von mehreren)
Polypeptidketten, die zusammen eine Proteinstruktur bilden.(=> Quartästruktur)
Multifunktionelle Proteine haben meist einen modularen Aufbau, bestehend aus mehreren
Domänen, von denen jede für eine Funktion verantwortlich ist. Proteine können aus einer
einzigen Domäne oder aus bis zu Dutzenden von Domänen bestehen.
In struktureller Hinsicht besteht kein fundamentaler Unterschied zwischen einer Domäne und einer
Untereinheit, die eine Domäne bildet. Es gibt viele Beispiele dafür, dass in einer Spezies mehrere
biologische Funktionen von verschiedenen Polypeptidketten ausgeführt werden, wogegen in
anderen Spezies dafür eine Polypeptidkette, die mehrere Domänen ausbildet, verantwortlich ist.
Solche Unterschiede sind nicht aus strukturelle Erfordernisse zurückzuführen sonder spiegeln
vielmehr den Aufbau des Gnoms wider.
Domänen entstehen durch Kombination von Sekundärstrukturelementen und Motiven.
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Gesundheitswesen
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