Proteine Flashcards
Funktionen von Proteinen
- Enzymatische Katalyse
- Transport und Speicherung
- Koordinierte Bewegung
- Mechanische Stützfunktionen
- Immunabwehr
- Kontrolle von Wachstum und Differenzierung
- Signalvermittlung
Wie werden Proteine synthetisiert
- mRNA wird im zellkern in 5´->3´ synthetisiert
- tRNA binden ihre spezifischen AS, transportieren diese zum Ribosomen &binden dort über ihr Anticodon an das die Aminosäure definierende Codon der mRNA
- an der tRNA werden die AS über Peptidbindungen miteinander verknüpft (verkürzte Erklärung)
Peptidbindungen
- Kondensationsreaktion der Carboxygruppe eines Peptids mit der Amino-Gruppe eines anderen Peptids zu einem Dipeptid -> bei mehrfacher Wiederholung: Oligo-, Polypeptid (>10 AS) -> Protein (>100 AS)
- ein Polypeptid hat immer einen c-Terminus (Carboxygruppe) und einen N-Terminus (Aminogruppe)
- Die Polypeptide sind an der der Peptidbindung nicht rotierbar, nur ums Cα-Atom
Beschriebe die verschiedenen Faltungsebenen eines Proteins und wodurch sie zustande kommen (Text zum lesen)
Primärstruktur: Sequenz durch Translation, kovalente Verknüpfung, genetisch festgelegt, bestimmt die räumliche Struktur des Polypeptids
Sekundärstruktur: regelmäßige Faltung (Konformation) zB α-Helix oder β-Faltblatt (parallel und antiprallel) durch H-Brücken zwischen den CO- und NH-Gruppen des Peptidrückgrates (zwischen AS(n) und AS(n+4). Prolin ist eine helixbrecher, da es keine H-Brücken ausbilden kann
Tertiärstruktur: definierte räumliche Struktur durch Seitenketten, die innerhalv der linearen Sequenz weit voneinder weg sind: Disulfidbrücken (stärkste Verbindung, kovalent), Ionenbindungen, “Salzbrücken”, Chelatkomplexe mit Metallionen, Hydratisierter polarer oder geladener Reste, Aromaten “stacking” H-Brücken und hydrophobe Kontakte (Van der Waals). Wichtig: hydrophobe Bereiche liegen innen!!
Quartiärstruktur: endgültiges Protein aus mehreren Proteinen in Tertiärstruktur, evtl. Liganden (koordnative Bindung eines Metall-ions)
Wo wird ein Protein gefaltet und welche Probleme können dabei entstehen
- im Cytosol oder ER cotranslational (Während der Translation) oder posttranslational
- gefährliches Stadium: unlösliche Preoteinaggregate sind thermodynamische begünstigt; verlassende polypeptidketten sind extrem anfällig für ROS
Wie wird ein Protein gefaltet?
- durch kleinste Bewegungen der umgebenden H2O-Moleküle und elektrische Anziehungskräfte innerhalb des Proteins (Ionenbindung, H-Brücken, Van-der-Waals-Bindungen, Disulfid-bindungen), unpolare (hydrophobe) Seitenketten nach innen, polare nach außen
- gefaltetes Protein in der Regel die niedrigste freie Enthalpie aller möglichen Zustände
Typen von Faltungshilfen
- Faltungsenzyme: zB PDI, PPIase
- Chaperone: zB Hitzschockproteine (Hsp100/90/70/60)
- Intramolkulare Faltungshilfen, zB Prosequenzen, nicht funktionelle Domänen
posttranslatorische Modifikation: limitierte Proeteolyse
- Abspaltung eines Peptid-Fragmentes von einem Vorläufer-Protein und damit Aktivierung durch ein Enzym
- z.B Aktivierung des Angiotensionogens durch Renin
globuläre Proteine
- Proteine mit einer kugelfürmigen Teriär-/Quartiärstruktur (polare Seitenketten nach innen, polare nach außen) → Wasserlöslich
- Beispiel sind Globine (zB Hämoglubin, Myoglobin), Alubimine und Histone
fibrilläre Proteine
- lange, faserige Proteine mit hoher Zugfestigkeit
- z.B Kollagene, Elastine, Kreatine und Myosine
Pharmakon
- Pharmakon (engl. drug)= Wirkstoff (Heilmittel, Arzneistoff, Gift);
- Definition: Eine Substanz die mit Lebewesen wechselwirkt
Proteingruppen in Bezug auf Drugtargets
- Enzyme, zB ACE-Hemmer
- Membranproteine, zB Penicillin hemmt den Aufbau der bakteriellen Zellwand
- Rezeptoren, zB Insulin
- Ionenkanäle, zB Benzodiazepine wirken auf GABA-Rezeptor
- Transkriptionsfaktoren
- Hormone, zB Erythropoetin
Penicillin
Antibiotikum
bindet an die D-Alanin-Transpeptidase, die für die Quervernetzung von Peptidoglykanen in den Zellwänden von gram-positiven Bakterien zuständiig ist → Zelle kann sich nicht mehr teilen und lysiert.
ACE-Hemmer (Text zum lesen)
Medikament gegen arteriellen Hypertonus
hemmt das Enzym, das Angiotensin aktiviert (ACE)
normalerweise spaltet das von der Niere ausgeschiedene Renin, das Angioteninogen zu Angiotenin I (limitierte Proteolyse). Das Angiotenin I wird dann von dem ACE (Angiotenin converting enzyme) in Angiotensin II umgewandelt/aktiviert.
Angiotenin II kann dann wiederum auf den adrenalen Cortex wirken, damit Aldosteron ausgeschüttet wird (->Salzretention in der henley-Schleife -> Blutdruckanstieg) oder sogar selber vasokonstriktiv wirken
Erythropoetin (EPO)
Renales Zytokin das Erythropoese, Thrombopoese stimuliert und die Apoptose hemmt.
Es ist gelungen ein rekombinantes humanes Erythropoetin herzustellen, das bei renaler Anämie eingesetzt wird.
Insulinrezeptor
ein Membranprotein (Kinase-gekoppelter Rezeptor)
bei Insulinbindung an die α-Untereinheit gibt es eine Konfirmationsänderung, die β-Untereinheiten phosphorylieren sich gegenseitig (trans-Autophopholysierung) und werden dadurch aktiviert.
Nach Aktivierung werden auch die benachbarten Kinase-Domänen phophoryliert, die dann Insulinrezeptorsubstrate aktivieren können, die dann wiederum eine Signalkaskade beginnen
→ dadurch kommt es zB zu einer vermehrten Gucose-Transporter Synthetisierung und Einbau in die Zelmmembran (außerdem Glycogen- und fettsynthese und die verminderte Bildung von Glucose aus Glycogen und Fett) → Blut-Glucose-Spiegel geht runter
Diazepam (Text zum lesen)
- Medikament, als Schlafmittel, Therapie von Angstzuständen und epileptischen Anfällen
Wirkt auf den Gamma-Aminobuttersäure (GABA)-Rezeptor (ionotroper Rezeptor an Nervenzellen/Chloridkanal), erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit positive Modulation und führt so zum Chlorideinstrom und damit zur Hyperpolarisation (weniger Erregbarkeit) der Nervenzelle
Langfristige Behandlungskonzepte bei Sichelzellanämie nennen.
- allogene Stammzeltransplantation
- chronisches Tranfusionsprogramm
Wichtigste Symptome bei Sichelzellanämie nennen.
- Anämie (Blässe, weiße Schleimhäute)
- Schmerzkrisen
- Hypoxämie
- (Ikterus, niedriger Hb, viele Retikulozyten,…)
Sichelzellanämie (Text zum lesen)
- erbliche Erkrankung der Erythrozyten
- Punktmutation in der β-Kette des Hämoglobin (Glutaminsäure (sauer) durch Valin (neutral/hydrophob))
→ bei Desoxylierung verändert Hämoglobin seine Konformation → weitere unpolare AS (Leucin) kommt an die Oberfläche
→ Zusammenlagerung der hydrophoben As-Reste -> polymerisation der Hb´s
- → bei niedrigem pO2 kristallisiert sich das Hb aus und verformen so die Erythrozyten
- es besteht ein erhöhtes Verstopfungsrisiko der Blutgefäße → Ischämien
- immun gegen malaria tropica → Sichelzellanämien kommen häufig in Malaria geplagten Regionen vor.
Funktion von Aminosäuren
- Bausteine der Proteine (protinogene Aminosäuren)
- Energiequelle (Glukoneogenese (Glucoseaufbau)
speziellere Funktionen, zB
- Transporter von NH2-Gruppen (zB Glutamat -> Transaminierung)
- Neurotransmitter (zB Glutamat, GABA)
- Synthesevorstufe (zB für Biogene Amine)
- Sticktoffwechsel (-> Harnstoffzyklus)
- Hormone (zB Thyroxin)
Strukturmerkmale und chemische Eigenschaften von proteogenen Aminosäuren (Text zum lesen)
Zwitterion bei physiologischen pH-Wert, kann also sowohl als Protonendonator, sowie -Akzeptor dienen (Ampholyt)
liegt der pH wert beim isoelektrischen Punkt (ca 6,1) (pI = (pKs1+pKs2)/2 ). Liegt der pH Wert darunter, nimmt die Dissoziation der Carboxygruppe ab -> AS wird positiver, liegt er darüber nimmt die Dissoziation zu und die Aminogruppe gibt das H-Atom ab -> AS wird negativer
AS sind chiral und liegen beim Menschen nur in L-Form vor
Carboxylgruppe (-COOH / -COO-)
- sauer, stark polarisiert, bildet H-Brücken
- pKs: 2,2 -> unter phyiologischen Bedingungen deprotoniert
Aminogruppe:
- basisch, polarisiert, H-Brücken
- pKs: ~9 -> unter phyiologischen Bedingungen protoniert
Einteilung der Aminosäuren auf Grund ihrer Seitenketten
- unpolar (Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin)
- polar und ungeladen (Serin, Threonin, Asparagin, Glutamin)
- aromatisch (Phenylanin, Tyrosin, Tryptophan, (Histidin))
- basisch (Lysin, Arginin, Histidin)
- sauer (Aspartat(Asparaginsäure), Glutamat(Glutaminsäure)
- schwefelhaltig (Cystein, Methionin)
- unspezifisch (Glycin, Prolin)
Reaktionen von proteogenen Aminosäuren
- Bildung von Proteinen/Peptiden unter Wasserabspaltung (Kondensation)
- Bildung von α-Ketosäuren durch Übertragung der α-NH2-Gruppe (Transaminierung), zB beim Harnstoffzyklus
- Bildung von biogenen Aminen durch CO2-Abspaltung (Decarboxylierung), zB bei Histamin, GABA
Warum sind Peptidbindungen nicht frei rotierbar?
Auf Grund ihrer peptidbindungsmesomerie hat die Bindung einen partiellen Doppelbindungscharakter.
Denaturierung von Proteinen
- Verlust der biologischen Funktion ohne Änderung der Primärstruktur
- oft begleitet von Aggregation (Verlust der Wasserlösllichkeit (Fällung)
- je nach Protein und Denaturierungsmethode reversibel oder irreversibel
Denaturierungsmethoden von Proteinen
- Temperatur: Denaturieung der H-Brücken
- pH-Wert: Einfluss auf H-Brücken, da zB -NH protoniert werden kann. Einfluss auf Salz-Brücken, da zB -NH+ deprotiniert werden kann
- organsiche Lösungsmittel (zB Ethanol)
- Detergentien (Seife)
- Schwermetallionen (zB Hg2+): Bildung von Chilatkomplexen
Beeinflussung der Wasserlöslichkeit von Proteinen
- pH-Wert: Geringste Löslichkeit am Isoelektrischen Punkt (keine Nettoladung)
- Ionenstärke (Salzkonzentration): geringere Löslichkeit bei sehr niedrigen und sehr hohen Konzentrationen (schlechtere Hydratisierung des proteins)
- Proteinstruktur: unterschied zwischen globulären und fibrillären Proteinen. Auch sind Helices besser löslich
- Proteinkonzentration:geringere Löslichkeit bei hohen konzentrationen
- Temperatur: geringere Löslichkeit bei tiefer Temperatur
Kofaktoren
Hilfsstoffe, die für die Funktion des Proteins benötigt werden (Apoprotein (funktioniert ohne Kofaktor nicht)+ Kofaktor = Holoprotein
- Coenzyme (Cosubstrate): organische Moleküle, die vorübergehen an das Protein binden (zB ATP, NADH, Coenzym A)
- prostetische Gruppen: organsiche Moleküle, die dauerhaft am Protein gebunden sind, zB Häm, Biotin
- Metallionen: oft Spurenelemente, zB Zn2+
Methoden bildgebender Verfahren für die Proteinstrukuranalyse
- Röntgenstrukturanalyse
- Elektronenmikroskopie
- Kernspintresonanzmethode
Röntgenstrukturanalyse
- 10-7-10-10m
- X-ray werden durch Objekt (Kristall) gebeugt, keine Linse zum Zurückbrechen → Beugungsbild → Elektronendichteberechnung → Proteinstrukturberechnung (Genauigkeit hängt ab von der Auflösung)
- erfordert Kristalle (zeitintensiv), große Mengen von Proteien benötigt
Kernspin-Resonanz-Spektrosokopie (NMR) (Text zum lesen)
- 10-9-10-10m
- Atomkerne rotieren um eigene Achse (Kernspin) → erzeugt Megnetfeld.
- Ordnen sich in einem angelegten äußeren Magnetfeld parallel oder antiparallel
- durch radiowellen können die orientierung (prallel/antiprallel) verändert werden, Energiemenge hängt von umgebenden Atomen ab -> je nach Bindung und Lage des Atoms in einem Molekül wird nur eine bestimmte Frequenz der Radiowellen absorbiert
- ermittelte Struktur mehrdeutig und nur für kleine Makromoleküle
Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM)
10-5-10-8
EM Aufnahme der Partikel → Auswahl einzelner Partikel -→ Mittelwertbildung → 3D information zu 2D reduziert und wieder am Computer rückprojeziert → gemittelte 3D-Struktur aus Projektionen
- nur große Makromoleküle und Viren, geringe Probenmenge von Nöten
Serinprotease (Text zum lesen)
Hyrdolyse von Peptidbindungen, zB Chrymotrypsin
drei AS die die Reaktion katalysieren (Asp, His, Ser)
Histidin, übernimmt das H-Atom von Serin, das daraufhin hochreaktivmit dem C- der ehemaligen Carboxylgruppe des zu trennenden Peptids reagiert und kovalent verbindet -> das Amid wird abgespalten.
bei der Rückreaktion übernimmt wieder das N-Atom des Histidin ein H-Atom eines Wasser-Moleküls. der rest des Wassers reagiert nun wieder mit dem C-Atom → die nun wieder vollständige Carboxylgruppe spaltet sich vom Serin ab ud das Serin übernimmt wieder das H-Atom des Histidins (Ausgangszustand)
das Aspartat ist mit einer H-Brücke mit dem Histidin verbunden dadruch wir es reaktiver
Substrat-/Ligandbindungsarten
- Schlüssel-Schlossprinzip: das aktive Zentrum ist komplementär zum Substrat
- Induced-Fit: das aktive Zentrum passt sich beim binden an das Substrat an
- bei dem richtigen Substrat finden verschiedene Wechselwirkungen (H-Brücken, Metallion-Komplexierung, Salzbrücken, …) statt, sodass sich die Konfirmation des Proteins ändern kann oder das Substrat modifiziert wird
Protein-Ligand-Erkennung
Bei dem richtigen Substrat finden verschiedene Wechselwirkungen (H-Brücken, Metallion-Komplexierung, Salzbrücken, …) statt, sodass sich die Konfirmation des Proteins ändern kann oder das Substrat modifiziert wird.
Michaelis-Konstante (KM)
- der KM-Wert eines Enzyms entspricht der Substratkonzentration bei halbmaximaler Geschwindigkeit und ist ein Maß für die Substrat-Affinität eines Enzyms
- kleiner KM-Wert = hohe Affinität
- großer KM-Wert=geringe Affinität
- KM= (k-1 + kcat)/k1
- k1/-1/cat= Geschwindigkeitskonstante zu Hin-/Rückreaktion und Geschwindigkeit des Enzyms
Dissoziationskonstante (Kd)
- der Kd-wert beschreibt die Affinität von Enzymsubstraten und leitet sich vom Massenwirkungsgesetz ab (Gleichgewichtskonstante= Produkte/Edukte)
- hohe Affinität -> Niedrige Kd
- niedrige Affinität -> hohe Kd
Erythrozyten (Eigenschaften)
- Hauptteil der Blutzellen
- bikonkav
- kein Zellkern
- ca. 20 000 000 Hämoglobin
- verringert die Reaktivität des Hämoglobins
- ca 5*106/µl Blut
- Lebensdauer ca. 120 Tage, Abbau in der Milz
- ca 200 Millionen pro Tag neu im roten Knochenmark gebildet
Parameter um das rote Blutbild beschreiben können.
- Anzahl (Angabe in Zellen/µl)
- Volumenanteil der Erys am Vollblut (Hämatokrit)
- Volumen der einzelnen Zellen (MCV)
- Variationsbreite der Volumina (RDV)
- Hämoglobingehalt des Blutes (Hb)
- Hämoglobingehalt der einzelnen Erys (MCH)
- Hämoglobinkonzentration im einzelnen Ery (MCHC)
Hämoglobin (Eigenschaften)
- pro Erythrozyt ca. 20 Millionen
- extrem reaktionsfreudig, deshalb im Ery
- HbA1 (97%): 2 α- und 2 β-Ketten, mit jeweils einer Häm-Gruppe (Fe2+-gebunden) als prosthetische Gruppe
- Hb A2(2%): α2δ2
- HbF (<1%): α2γ2 (fetales Hämoglobin)
Hämoglobinvariationen
Qualtitative Störung
- Störung der Struktur des Hb
Quantitative Störung
- Bildung von zu wenig einer Art der Hämoglobinkette (zB Thalassämie)
- Ursache: Mutation der Promoterregion
- → Überschuss der anderen Kette → Erys mit überschüssiger Ketten werden abgebaut
Häufige Mechanismen des Funktionsverlustes von mutierten Proteinen benennen.
Instabilität
- Austausch von AS und damit der Ketten → stabiliserende Wechselwirkung nicht mehr vorhanden
Aggregatbildung:
- Konformationsänderung kommt es zu einer wasserunlöslichen Verklumpung → toxisch
veränderte 3D-Struktur
- Konformationsänderung durch Wegfall einer für die Stabilität der Proteinstruktur wichtigen AS
