Fragen Proteine

Question 1

1. Wie beeinflusst die Proteinaminosäuresequenz die Tertiärstruktur?

Answer 1

1. Die Aminosäuresequenz bestimmt, wie sich das Protein in eine dreidimensionale Struktur faltet.

Question 2

2. Was ist der Vorteil 20 verschiedene Aminosäuren zur Bildung von Proteinen zu haben?

Answer 2

2. Die Aminosäuren haben sehr verschiedene funktionelle Gruppen, die zu Proteinstruktur und Funktion beitragen.
   Darüber hinaus können zahlreiche Aminosäure modifiziert werden, was die Verschiedenheit der funktionellen
   Gruppen weiter erhöht.

Question 3

3. Welche sind die drei aromatischen Aminosäuren?

Answer 3

3. Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan

Question 4

4. Welche Aminosäureseitenketten sind fähig zur Ionisierung?

Answer 4

4. Die Aminosäuren sind: Asp, Glu, His, Cys, Tyr, Lys, und Arg.

Question 5

5. Wie trägt das Proteinrückgrat zur strukturellen Stabilität bei?

Answer 5

5. Das Proteinrückgrat enthält die Peptidbindung mit ihren NH und C=O (Keton) Gruppen. Die Bildung von
   Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einem Wasserstoffatom am Stickstoff und dem Sauerstoffatom stabilisiert
   die Konformation des Proteins.

Question 6

6. Warum sind nicht alle theoretischen Kombinationen von phi und psi möglich?

Answer 6

6. Sterische Behinderungen der Seitenketten machen manche Kombinationen und Winkel unmöglich.

Question 7

7. Beschreiben Sie bitte einige Merkmale einer α-Helix.

Answer 7

7. Die Windungen der α-Helix sind durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem Carbonyl-Sauerstoffatom eines
   Restes und dem Amid-Wasserstoffatom einer vier Reste entfernten Aminosäure stabilisiert. Es liegen 3,6 Aminosäure
   pro Drehung vor. Die Wasserstoffbrückenbindungen werden zwischen Aminosäuren ausgebildet, bei denen zwei
   Aminosäurereste dazwischen liegen. Dementsprechend liegen beide Aminosäuren auf der gleichen Seite der
   Windung. Die Helices sind praktisch immer rechtsgängig, aber auch linksgängige Helices sind, zumindest theoretisch,
   möglich.

Question 8

8. Was ist der “hydrophobe Effekt” und was bedeutet er für die Proteinstruktur?

Answer 8

8. Die dreidimensionale Struktur eines wasserlöslichen Proteins wird durch die Tendenz der hydrophoben Gruppen sich
   im Inneren zusammen zu lagern stabilisiert.

Question 9

9. Was ist eine Proteindomäne?

Answer 9

9. Eine Domäne ist ein definierter Bereich eines Proteins. Häufig sind einzelne Domänen durch definierte Funktionen
   bestimmt.

Question 10

10. Wieso hat Anfinsen in dem Ribonuclease-Experiment das Reduktionsmittel β-Mercaptoethanol dazugegeben?

Answer 10

10. Das Reduktionsmittel hat falsch gepaarte Disulfid-Brücken wieder reduziert und erlaubte so die Ausbildung der
    korrekten Paare, so dass sich die stabilste Konformation des Proteins ausbilden konnte.

Question 11

11. Wieso ist es günstig wenn während der Proteinfaltung definierte Regionen bereits partiell richtig gefaltet sind?

Answer 11

11. Wenn einzelne Regionen präferentiell interagieren, erhöhen sie die Stabilität bestimmter Konformationen während
    der Proteinfaltung, und wirken sich so auf die Gesamtstruktur des Proteins aus.

Question 12

12. Warum ist ein Assay während der Proteinreinigung nötig?

Answer 12

12. Ein Assay erlaubt uns die Enzymaktivität des gewünschten Proteins mit Genauigkeit zu bestimmen. Dies ist wichtig um
    zu bestimmen, ob bestimmte Reinigungsschritte in der Trennung des Proteins von anderen zellulären Stoffen effizient
    sind.

Question 13

13. Wie wird die Lactat-Dehydrogenase Aktivität getestet?

Answer 13

13. Der Assay für die Enzymaktivität besteht in der Verfolgung des Anstiegs der Absorption bei 340 nm pro Minute. NADH
    (reduziert Form) absorbiert Licht mit 340 nm, was bei der oxidierten Form (NAD+) nicht der Fall ist.

Question 14

14. Wie unterscheiden sich Molekülausschuss- und Ionenaustausch-Chromatographie?

Answer 14

14. Beide Methoden werden häufig in der Proteinreinigung genutzt. Die Molekülausschusschromatographie nutz poröse
    Kügelchen und die Moleküle werden abhängig von ihrer Größe aufgetrennt. In der Ionenaustauschchromatographie
    werden Proteine aufgrund ihrer Nettoladung und Affinität zum Säulematerial getrennt. Das Säulenmaterial enthält
    positive oder negative geladene Moleküle.

Question 15

19. Wie unterscheiden sich Röntgenstrukturanalyse und NMR-Spektroskopie?

Answer 15

19. Röntgenstrukturanalyse (oder Röntgenkristallographie) benötigt einen Proteinkristall und nutzt die Eigenschaft, das
    Elektronen Röntgenstrahlen beugen. NMR-Spektroskopie braucht keinen Proteinkristall, benötigt aber sehr stabile
    Proteinlösungen und kann nur kleine bis mittelgroße Proteine (Molekulargewicht) untersuchen.

einen Valinrest. Dadurch bildet sich auf der Oberfläche von Desoxyhämoglobin (T-Form) eine hydrophobe Stelle,
welche zur Bildung von fibrösen Polymeren führt. Diese Fasern deformieren die Erythrozyten sichelförmig.

Question 16

20. Warum sind für Vergleiche von Proteinen dreidimensionale Strukturen informativer als die Primärsequenz
    Primärsequenz?

Answer 16

20. Die Aminosäuresequenz kann Hinweise auf die Proteinfunktion und die Ähnlichkeiten zu anderen Proteine liefern.
    Aber die Struktur kann viel mehr Information über die räumliche Anordnung geben. Diese Information ist besonderes
    wichtig, um die Proteinfunktion zu verstehen. Der Vergleich von Strukturen kann Verwandtschaftsbeziehungen
    aufdecken, die allein durch den Vergleich von Primärstrukturen nicht möglich sind.

Question 17

21. Wie kann man bestimmen, ob zwei homologe Proteine Paraloge oder Orthologe sind?

Answer 17

21. Mit funktionalen Studien: Paraloge haben ähnliche Sequenzen, aber unterscheiden sich in ihrer Funktion.

Question 18

22. Warum ist es für evolutionäre Studien effektiver Proteinsequenzen statt DNA Sequenz zu vergleichen?

Answer 18

22. Wir können mit Aminosäuren besser statistische Vergleiche anstellen, weil es 20 Aminosäuren gibt aber nur 4 Basen
    in der DNA-Sequenz. Außerdem können viele Basen- austausche bedeutungslos sein.

Question 19

23. Wie machen wir ein Proteinsequenzalignment?

Answer 19

23. Zwei Sequenzen werden verglichen und die beste Abgleichungen für alle möglichen Nebeneinanderstellungen
    werden gesucht. In manchen Fällen, konstruiert man Lücken um die maximale Zahl von Abgleichungen zu bekommen.
    Statistische Verfahren werden genutzt, um die beste Übereinstimmung zu bestimmen.

Question 20

24. Was ist eine Substitutionsmatrix?

Answer 20

24. Eine Substitutionsmatrix wird aus alignierten Sequenzen berechnet und die Punktwerte geben einen Eindruck davon,
    wie oft eine Aminosäure ausgetauscht wurde.

Question 21

25. Wie sind die dreidimensionalen Strukturen nutzbar für evolutionäre Vergleiche?

Answer 21

25. Die strukturellen Informationen können mit spezifischen Funktionen korreliert werden. Ein Teil der Struktur muss
    erhalten bleiben um die gleiche Funktion zu gewährleisten. Insofern können nur Änderungen in der Sequenz
    auftreten, die die Struktur nicht verändern. Es ist schwierig zu bestimmen, welche Aminosäuren für die Struktur
    entscheidend sind ohne dreidimensionale Information zu haben. Deswegen sind Vergleiche von Proteinen mit
    ähnlicher Struktur informativer als Vergleiche von Sequenzalignments.

Question 22

26. Was kann man sagen, wenn in einem Protein bestimmte Regionen wiederholt auftreten? Und was kann man machen,
    um die Hypothese zu prüfen?

Answer 22

26. Eine ähnliche Sequenz deutet auf ein Gen-Duplikationsereignis hin, welches eine wichtige funktionelle oder
    strukturelle Rolle für diese Proteinregion andeutet. Die nächsten Schritte bestünden darin die statistische Signifikanz
    dieser Wiederholungsregion zu testen und die dreidimensionale Struktur zu überprüfen.

Question 23

27. Bitte erklären Sie kurz wie es möglich ist, dass zwei Proteine verwandt sein können, obwohl sie nur geringe
    Sequenzidentitäten zeigen.

Answer 23

27. Die zwei Proteine können trotz sehr unterschiedlicher Primärsequenz, ähnliche Strukturen und Funktionen haben.

Question 24

28. Welche Mutationen können zu bedeutenden Sequenzänderungen beitragen, aber gleichzeitig Funktion und Struktur
    erhalten?

Answer 24

28. Konservierte Aminosäureaustausche, z.B. von Glutamat zu Aspartat.

Question 25

29. Warum ist es von Vorteil für Hämoglobin allosterische Eigenschaften zu besitzen?

Answer 25

29. Hämoglobin bindet Sauerstoff mit positiver Kooperativität. Diese Kooperativität erlaubt eine hohe
    Sauerstoffsättigung in den Lungen, wo der Sauerstoffpartialdruck am höchsten ist. Im Gewebe induziert der niedrigere
    Sauerstoffpartialdruck die Freisetzung des Sauerstoffs. Die Kooperativität ermöglicht die Sauerstofflieferung an den
    Ort wo Sauerstoff am meisten benötigt wird.

Question 26

30. Was ist fetales Hämoglobin? Wie unterscheidet sich fetales Hämoglobin von adultem Hämoglobin?

Answer 26

30. Fetales Hämoglobin (Fetales Hb) hat zwei α− und zwei γ-Ketten, während adultes Hämoglobin (HbA) zwei α− und zwei
    β-Ketten hat. Die γ-Kette fetalen Hämoglobins ist wahrscheinlich das Ergebnis einer Gen-Duplikation und
    nachfolgender divergenter Evolution. Die Unterschiede in den Ketten führen zu einer niedrigen Affinität für 2,3-BPG
    in fetalem Hb. Dementsprechend hat fetales Hb eine noch höhere Affinität für Sauerstoff und dieser wird effizienter
    vom HbA der Mutter zum Hb des Fötus transferiert.

Question 27

32. Beschreiben Sie bitte die oktaedrische Koordinationssphäre des Eisen-Ions in Hb und Mb.

Answer 27

32. Das Eisen-Ion ist durch vier Stickstoff Atome vom Porphyrinszentrum koordiniert. Die fünfte Koordinationsstelle wird
    durch das proximale Histidin der Globinkette gefüllt. Sauerstoff bindet an die sechste Koordinationsstelle des EisenIons.

Question 28

33. Bitte zeichnen Sie die Sauerstoffbindungskurven für Mb und für Hb. Bitte markieren Sie die Partialdrücke von
    Sauerstoff in der Lunge und in dem Gewebe.

Answer 28

33. Vgl. Vorlesungsfolien.

Question 29

34. Bitte beschreiben Sie die Struktur des normalen adulten Hb.

Answer 29

34. Normal adultes HbA ist ein Tetramer. HbA enthält zwei α-Ketten und zwei β-Ketten. Jede Untereinheit hat eine
    ähnliche Struktur wie Mb und enthält eine Häm-Gruppe. HbA kann am besten als ein Paar identischer αβ-Dimere
    beschrieben werden. Dementsprechend kann jedes Hämoglobinmolekül bis zu vier Sauerstoffmoleküle binden.

Question 30

35. Bitte beschreiben Sie kurz eine kooperative Bindung.

Answer 30

35. Kooperative Bindung tritt in Proteine mit mehreren Untereinheiten und mit mehreren Bindungsstellen auf. Die
    Bindung eines Liganden an einer dieser Stellen führt zu einer Konformationsänderung, die die Bindung an die
    benachbarten Stellen beeinflussen. Die Bindungsstellen sind nicht unabhängig, sondern jede neue Bindung beeinflusst
    die Affinität der nächsten Bindungsstelle.

Question 31

36. Bitte beschreiben Sie das konzertierte Modell der allosterischen, kooperativen Bindung.

Answer 31

36. Das Protein liegt in zwei Konformationen vor: der T-Form (T: tense in Englisch) mit niedriger Affinität für den Ligand
    und der R-Form (R: relaxed in Englisch) mit höherer Affinität für den Ligand. In dem konzertierten Modell sind alle
    Moleküle in der T- oder R-Form. Bei jeder Proteinkonzentration gibt es ein Gleichgewicht zwischen den zwei Formen.
    Die Erhöhung der Ligandenkonzentration verschiebt das Gleichgewicht von der T- zu der R-Form.

Question 32

37. Bitte beschreiben Sie die Rolle von 2,3-Bisphosphoglycerat in der Funktion von Hb.

Answer 32

37. 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) ist ein relativ kleines anionisches Molekül, das in den Erythrozyten vorkommt. 2,3-
    BPG bindet nur in der zentralen Kavität von Desoxyhämoglobin (T-Form). Die Größe der Kavität wird kleiner in der RForm,
    so dass 2,3-BPG in dieser Form nicht bindet. Die Anwesenheit von 2,3-BPG verschiebt das Gleichgewicht zur TForm.
    Die T-Form ist sehr instabil und ohne 2,3-BPG würde das Gleichgewicht in Richtung R-Form verschoben, so dass
    unter normalen, physiologischen Bedingungen weniger Sauerstoff freigesetzt würde.

Question 33

38. Bitte beschreiben Sie die chemischen Grundlagen des Bohr-Effekts.

Answer 33

38. Der Bohr-Effekt, zuerst beschrieben durch Christian Bohr, ist die Desoxygenierung von Hb bei Absenkung des pHWertes.
    In desoxyHb bilden drei Aminosäuren Salzbrücken aus, die die T-Form stabilisieren. Eine der Brücken ist
    zwischen dem C-terminalen β-His146 und einem Asp-Rest (β-Asp94). Bei Erhöhung des pH-Wertes wird diese
    Salzbrücke zerstört, weil His deprotoniert wird und seine positive Ladung verliert. Bei niedrigen pH-Werten ist His
    dagegen positiv geladen. Die Bildung der Salzbrücken verschiebt das Gleichgewicht von der R-Form zur T-Form und
    führt zur Freisetzung von Sauerstoff.

Question 34

39. Bitte beschreiben Sie wie Kohlendioxid die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin beeinflusst.

Answer 34

39. Eine Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration führt zur Freisetzung von Sauerstoff aus Hb. Je aktiver das Gewebe ist,
    desto höher ist der Metabolismus und desto mehr CO2 wird gebildet. Diese Gewebe haben einen erhöhten
    Sauerstoffverbrauch, um mehr Energie zu produzieren. Kohlendioxid reagiert mit der N-terminalen Aminogruppe und
    bildet negativ geladene Carbamat-Gruppen aus. Diese Gruppen können Salzbrücken bilden und stabilisieren die TForm.
    Bei erhöhten Kohlendioxidkonzentrationen wird das Gleichgewicht von der R-Form zur T-Form verschoben,
    was zur Freisetzung von Sauerstoff an das Gewebe mit der höchsten Kohlendioxidproduktion führt.