Peptidbindung und Raumstrukturen (Tertiärstruktur, Quartärstruktur, Proteide)

Tertiärstruktur, Quartärstruktur,
Proteide

Unter der Tertiärstruktur
versteht man die Wollknäuelstruktur
oder Globulärstruktur der Proteine.
Dies ist die typische Struktur eines großen Teils der Proteine in
der Zelle wie z. B. der Enzyme. Eine Tertiärstruktur enthält
meist Sekundärstrukturen wie Helix und Faltblatt. Es gibt kaum Proteine
mit Tertiär- aber ohne Sekundärstrukturen. Betrachten wir nun
einige typische Tertiärstrukturen:

protvil

Die Abbildung 32 zeigt
die Vielfalt und Einzigartigkeit jeder Tertiärstruktur. Wir wollen
nun einige besondere Proteine herausgreifen und die Tertiärstruktur
näher besprechen.

1. Membranproteine

Porin, ein Protein
aus der Membran bestimmter Bakterien. Es dient als Ionenkanal.

_7_memb8

Es besteht nahezu vollständig aus der Faltblattstruktur
und bildet eine Röhre, durch die Ionen mit bestimmter Größe
hindurch können.

2. Enzyme und Transportproteine

Katalase,
ein Enzym der Leber. Katalase besitzt wie viele typischen Enzyme Helix
und Faltblattanteile.

catalase

retb

GAPD (= Glycerinaldehydphosphat-Dehydrogenase)
ist ein Enzym des Cytoplasmas im Energiegewinnungsstoffwechsel.


gapd4

Es besteht aus 4 Untereinheiten und hat somit eine
Quartärstruktur.

Die Carboanhydrase
Abb. 40 katalysiert aus CO2
HCO3–Ionen, mit einem Zink-Atom
im Zentrum, ist also ein Proteid.

 

(Proteid = Protein mit
Nichteiweißanteil)


carboan3

 

Hämoglobin,
der rote Blutfarbstoff, der den Sauerstoff transportiert, ein quartäres
Proteid. Jede der 4 Untereinheiten besitzt ein Häm -Molekül
(als prosthetische Gruppe) .

hb6

bchlp4

Eine prosthetische
Gruppe
ist ein nicht aus Aminosäuren bestehendes Molekül,
das fest im Protein gebunden ist. Häm besitzt im Zentrum ein Eisen-Ion,
an das der Sauerstoff gebunden wird.

 

Strukturproteine

 

Crystallin
das Strukturprotein der Linse im Linsenauge. Bemerkenswert ist der
fast symmetrische Aufbau aus 2 Hälften, obwohl nur eine Polypeptidkette
vorliegt. Dies und die kristalline Anordnung führen zur Durchsichtigkeit
der Augenlinse.

 


crystal

 

Kollagen ist ein
Bindegewebsprotein, bestehend aus einer Tripelhelix. Ca. 1/3 der Aminosäuren
sind Gly, ca 1/4 Prolin und Hydroxyprolin. Deshalb ist die Bildung einer
a-Helix oder eines b-Faltblatts nicht möglich sondern es wird eine
linksdrehende, gestreckte Helix gebildet.


collag

Stabilisierende Bindungen

Bleibt die Frage, wodurch die unterschiedlichen Tertiär-
und Quartärstrukturen in ihrer Konformation
(räumlicheStruktur) stabil bleiben?

Die Antwort ergibt sich aus unserer Betrachtung
der Sekundärstruktur und Tertiärstruktur. Es sind die
Wasserstoffbrücken,
die z.B. die Faltblattstruktur und Helices stabilisieren. In einem Protein
findet man hunderte solcher H-Brücken
(siehe Lysozym
Abb. 45).

hydis

Es gibt aber noch weitere, stärkere Kräfte:
die Disulfidbrücken
und Ionischen
Wechselwirkungen
. Allgemein ergeben sich
diese Wechselwirkung dadurch, daß in einem Protein sich die Reste
der Aminosäuren in die Nähe kommen. Je nach Rest ergeben sich
dann die entsprechenden Bindungen.

Disulfidbrücken

Im Lysozym-Molekül Abb.
45
sind 4 Disulfidbrücken
eingezeichnet. Diese kommen dadurch zustande, daß sich 2
Cysteinreste mit ihrer SH-Gruppen gegenüberstehen. Dazwischen bildet
sich nun eine kovalente Bindung ( -S-S-) unter Abspaltung von 2 H aus.
Sie sind sehr häufig wie z. B. auch im oben schon erwähnten
Oxytocin.

disbr

Ionische Wechselwirkungen

Zwischen sauren und basischen Resten wie z. B. der
Carboxylgruppe von
Glu
oder
Asp und dem
basischen Rest von
Arg
oder
Lys kann es
wegen der Bildung von Ladungen zur elektrostatischen Anziehung kommen.

Dies nennt man ionische
Wechselwirkungen
(siehe Abb. 46).

Links ist ein Ausschnitt aus einem Chymotrypsinmolekül
( Verdauungsenzym im Darm) abgebildet. Darin sieht man die Wechselwirkung
zwischen der Aminogruppe eines Argininrestes
und der Carboxylgruppe eines Glutaminsäurerestes.

Auch zwischen hydrophoben Resten können sich solche
Wechselwirkungen ausbilden.

1.2.4 Signalsequenzen
zur Steuerung des Transports und der Lokalisierung

Proteine haben eingebaute “Signale”(= topogene
Signale
), die Ihren Transport und die Lokalisierung in der Zelle
steuern. Für die Entdeckung und Erforschung dieses Sachverhalts erhielt
G. Blobel 1999 den Nobelpreis. Diese
Signale sind meist endständige Aminosäuresequenzen. Die verschiedenen
Proteine einer Zelle (ca. 109) haben eine Vielzahl von Aufgaben,
die sie an verschieden Orten der Zelle ausführen.

med-rib
Die topogenen Signale der Proteine dienen dazu, mit den Ribosomen an bestimmte
Membrankanäle zu gelangen, wodurch die Proteine dann in die Organellen
eindringen können. Die Signalsequenz wird am Ende des Vorgangs abgespalten.

1.2.5 Proteine als Krankheitserreger

Bestimmte Proteine können je nach räumlicher
Struktur Krankheiten hervorrufen. Man nennt solche infektiösen Proteine
Prionen (=
PrP = Prion Protein)
. Dies ist deshalb bemerkenswert, da Infektionskrankheiten
normalerweise immer durch pathogene Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze
und vor allem Viren als infektiöse Partikel hervorgerufen werden,
d.h. die Infektion war immer an ein Genom(= Erbinformation) eines infektiösen
Partikels gebunden.
Diese Proteine, die ca. 1985 Stanley B. Prusiner als Ursache einer gehirnzersetzenden
Krankheit bei Tieren (Schafen, Hamstern) entdeckt hatte. Heute
kennt man auch bei anderen Tieren (Rindern, Elchen u.a. ) und dem
Menschen Krankheiten, die durch solche Prionen
verursacht werden. Bei Schafen nennt man die Krankheit Scrapie,
bei Rindern BSE (= ) beim Menschen
die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit.
Diese Proteine existieren im Gehirn und Rückenmark (=ZNS).

prionzip

Prionen kommen in 2 Konformationen vor:
einer normalen, nicht krankmachenden und einer pathogenen.
Die normale PrP-Form mit Alpha-Helices
geht in eine krankmachende PrP-Form mit b-Faltblatt-Anteil
über. Krankmachende PrP können normale in krankmachende konvertieren.
Sie wandern in Vesikeln entlang der Fortsätze der Nervenzellen (=Axone)
und können durch Exozytose
freigesetzt werden.

1.2.6 Abbau von Proteinen (Lysosomen, Proteasom)

2004 erhielten A. Ciechanover (Israel), A. Hershko (Israel)
und I. Rose (USA)
den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung des Proteinabbaus
in der Zelle. Dabei spielt ein kaum bekannter Proteinasekomplex, das Proteasom
eine wichtige Rolle.

Extrazelluläre Proteine
werden hauptsächlich in den Lysosomen
abgebaut, intrazelluläre Proteine im
Proteasom
.

Das Proteasom besteht aus zwei Teilkomponenten, dem zylindrischen
20S Kernpartikel (oder auch 20S Proteasom)
sowie einem 19S Cap-Partikel (RP), der an die Enden des 20S Kernpartikels
(CP) andockt.die beiden Cap-Partikel sind die regulatorischen Komponenten,
die ATPasen und eine Erkennungsstelle für das Protein Ubiquitin
enthalten , das beim Proteinabbau
ein wichtige Rolle spielt.

Der Gesamtkomplex, das sogenannte 26S
Proteasom
, wird als die biologisch aktive Einheit innerhalb der
Zelle angesehen.

Im Proteasom werden
defekte und gealterte Proteine hydrolysiert. Solche Proteine werden an
Ubiquitin gekoppelt, ein 76 AS langes,
überall vorkommendes Protein. Dadurch gelangt dies zum Proteasom.
Das Proteasom bildet eine Art Fass,
in das das abzubauende Protein durch das Ubiquitin hineingezogen wird.
ATPasen im Innern entfalten unter ATP-Verbrauch das Protein. Threoninreste
im Kern der fassförmigen Struktur bilden das aktive Zentrum wo die
Proteine in ca. 8 AS lange Peptidfragmente zerlegt werden. Danach werden
die benötigten Ubiquitinmoleküle wieder freigelassen.

Das Proteasom ist
auch für die Prozessierung von Antigenen der Immunzellen verantwortlich.

propro
Der gestörte Abbau bestimmter Proteine im Zusammenhang
mit dem Proteasom spielt eine Rolle bei Gebärmutterhalskrebs, der
Lungenkrankheit Mukoviszidose (Zystische Fibrose) und weiteren Krankheiten.

 

 

 

 

Klicken Sie auf die Abbildungen 21-24
für die 3D-Darstellungen

 


Abb. 33

Tertiärstrukturen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 34

Porin


Klicken Sie auf das Bild für 3D

 


Abb. 35

Aquaporin 1

aqp1schneller Wassertransport durch Membranen in Niere, Auge und Erythrozyten
mit 3 x 109 Moleküle/Sek. 

 

 

 


Abb. 36

Katalase


Klicken Sie auf das Bild für 3D

 


Abb. 37

Ferredoxin

fdoxin2Ferredoxin (oben),
ein Redoxenzym mit Fe und Schwefel
als Fremdatome im Protein, also ein Proteid.Klicken Sie auf das Bild für 3D

 

 

 


Abb. 38

Flavodoxin und das Retinol-binding-Protein (RBP)

Flavodoxin
ist ein FAD-haltiges Redoxenzym und am Elektronentransport in
der Zelle beteiligt. (FAD = Koenzym)
Klicken Sie auf das Bild für 3D RBP bindet Retinol (=Vitamin A) in den leberzellen und transportiert
es zu anderen Zellen
.

Klicken Sie auf das Bild für 3D

 

 

 

 


Abb. 39

GAPD

Enzym mit 4 Untereinheiten (= Quartärstruktur)
und Häm als Kofaktor
Klicken Sie auf das Bild für 3D  

 

 

 


Abb. 40

Cytochrom B 562
cytb562

Cytochrom B562,
ein Redoxenzym in den Mitochondrien und enthält den roten
Farbstoff Häm als Nichteiweißanteil.
Cytochrome sind Proteide. Klicken Sie auf das Bild für 3D

 


Abb. 42
Hämoglobin

hb1
 

 

 

 


Abb. 43

Bacteriochlorophyllprotein

Das Protein bei Bakterien, das die
Photosynthesepigmente enthält.
Es bildet einen Hohlkörper aus einem
Faltblatt.
Klicken Sie auf
das Bild für 3D

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 44

Crystallin

Klicken Sie auf das
Bild für 3D
 

 

 

 

 


Abb. 45

Kollagen

kollag3Klicken Sie auf das
links Bild für 3D
 

 

 

 


Abb. 45

stabilisierende Bindungen

 

 

 

 

 


Abb. 46

stabilisierende Bindungen

DisulfidbrückedisulfidIonische Wechselwirkung

iow

os_salt1

elektrostatische Anziehung zwischen H des ArgRestes (weiß)
und dem O des Glu-Restes (rot)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 47

Signalhypothese

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 48

Prionen
Links
ist eine Animation der Konformationsänderung des Scrapie
Prions zu sehen
 

 

 

 

 

 


Abb. 49

Proteasom
proteaso
 

 

 


Abb. 50

Ubiquitin
ubiquit
Ubiquitin besteht aus 76 Aminosäuren und kommt in allen
Zellen aller Organismen vor. 

 

 

 

Weiterführende
Quellen:
Komplette Proteinstruktur:
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS/course/index.html
oder: http://info.bio.cmu.edu/courses/03231/ProtStruc/ProtStruc.htm
oder http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/mol/routines.html
oder http://www.expasy.org/swissmod/course/text/chapter4.htm

Animation: Sekundärstruktur: http://stingray.bio.cmu.edu/~web/bc1/prot3d/superss.htm

Um Proteine aus der Brookhaven Datenbank zu
suchen und anzuschauen gehen Sie zu:

http://www.rcsb.org/pdb/

Spezielle Animationen:
Hämoglobinstruktur:
http://www.umass.edu/microbio/chime/hemoglob/#version

Ferredoxin (Proteid): http://www.protein.osaka-u.ac.jp/enzymology/Fd_Model/Fd_title.html
Prionen: http://www-micro.msb.le.ac.uk/335/Prions.html

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