Proteinfaltung: fertig? (Zsm) Flashcards
Foldig code: was ist das?
AS-Sequenz
-> wenn man faltung verstehen würde, könnte man den fold berechnen - geht für komplexe proteine NICHT
Faltungsprozess
Wie, Was, Wo, Warum?
- ist abhängig von den SK-Interaktionen
- hydrophobe reste (Trp, Tyr, Phe) bilden “Faltungskern”
- > mit hydrophober interteraktion beginnt die faltung
- > entrop. effekte durch wasserausschluss
- polare gruppen [Asp, Glu, Lys, Arg) gelangen an die oberfläche
- interne ladungen Asp-, Glu- brauchen Gegenionen Lys+ und Arg+
- kooperatives finden von WW
- irreversibel
Faltungen bedeuten rotation um C-C und C-N-Bindungen -> Faltung = Rotationsprozess
Faltung findet in hoch viskosem zell-Zytoplasma statt (350 mg/ml)
H20-Ausschluss, Ausbildung H-Brücken, elektrostat. WW & weniger kovalente bindungen (S-S)
irreversibler Prozess: deltaG = deltaH x T x deltaS
[T x deltaS(Entropie:Unordnung)] > [deltaH (Enthalpie: Wärmegehalt)]
-> energetisch günstigster Zustand
Rebecca:
deltaG = deltaH - T x deltaS
Was ist die faltung?
Rotationsprozess
Irreversible Prozess
Bindungen im Protein
- WBB
- elektrostat. WW
- hydrophobe WW
- Van-der-Waals-WW
- kovalente WW
alle WW schwer quantifizierbar, bisher einzige extákte methode, um atomare WW korrekt vorherzusagen: Quantenmechanik..extrem aufwändig für große moleküle
- > nur für teilbereiche (zB aktive zentren und kleine zeitbereiche in ns) möglich
- > der rest wird “molekular-mechanisch” (semiklassisch) bearbeitet
WBB
N-H~~N // N-H~~O // O-H~~~O
Abstand 2,7-3,4 Å
Energie: WBB - 10-20 kJ/mol // kovalente bindung - 400 kJ/mol
elektrostat WW
Kräfte zw geladenen Resten C-O~~H3N+-C
Abstand: 3 A
Energie: 40-80kJ/mol
ionen/kovalent WW
–> nur unter H20 Ausschluss
hydrophobe WW
entrop. Effekt, kaum quantifizierbar
Energie: 4-12kJ/mol
VdW-WW
2-4 kJ/mol
permanent, induziert, zw unpolaren Kleinstteilchen
Dipol-Dipol-WW
Wo startet die faltung von ungefalteten prot.?
beim “random coil” (kann sich theoret. noch um alle bindungen drehen)
- mit flukturierende rotationswinkel mit zeitkonstanten von 10^-13 s -> schnelle faltung?!
Aber: viele rotationswinkel/rotationen sind bereits eingeschränkt -> ramachandra-diagramm
- livinthalsches praradox: faltung dauert nicht jahre obwohl so viele kombi-möglichkeiten
ramachandra-plot
gibt auskunft über das vorkommen von rotationswinkeln bei unterschiedlichen faltungen
Y-Achse: psi -> Calpha-C-Rotation
X-Achse: Phi -> Calpha-N-Rotation
levinthalsches paradox
trotz 10^100 möglicher kombinationen und einer dauer von 10^30 jahren um sie alle auszutesten,
in Realität: dauert faltung nicht ewig
Was bestimmt die Geschwindigkeit während der faltung?
- Interaktion von hydrophoben Resten ( Gewinn von emtropie) führt zum “ molten globe” mit kompakter noch heterogener konformation ( schwer bestimmbar, da jedes Moleküle anders ist)
- reaktionstrajektorien
(Reaktionen auf 3D Energieskala) von einfachen Proteinen können wir mit molekular-dynamik-methoden (MD-simulation) berechnen - faltungsprozess wird als fortschrittsvariable Q wiedergeben
-> trajektorien: Wege auf 3D energielandschaft EPQ Diagramm
Untersuchung der proteinfaltung
- Start mit gefalteten aktiven Protein
- entfalten zb mit guanedinium Chlorid
- verdünnung von gua-HCl mit Stop Flow (schnell)
- messen der faltungskinetik über tryptophanfluoreszenz
Stop-flow NMR (nuclear Magnetic resonance), massenspektroskopie nach einfrieren
> mischen von Proteinen mit D2O (schweres wasser)
> Austausch von H/D Austausch von H mit D im Protein
> einfrieren in flüssigem Stickstoff
> Bestimmung von H/D Austausch mit massenspektrometer - Betrag einzelner AS restes wird durch selektive mutagenese bestimmt
(Austausch einzelner AS, Wiederholung des faltungsprozesses mit Mutanten
)
Was sind Typ I falter?
Schnelles falten
Nur ausgangs-/endzustand nachweisbar
Keine Anreicherung von intermediaten
Typ II falter
Faltung erfolgt über sehr verschiedene zentralen ( ps - min)
Einzelne zwischenschritte nachweisbar
Landscape theory
Abfolge von Schritten, bei denen enthalpie deltaH reduziert wird und die Entropie gewonnen/verloren wird
-> über alles: kleine Änderungen der freien Energie deltaG > 10kJ/mol
Chaperone
Verhindern die präzipitation von fehlgefalteten Proteinen
Chaperone detektieren hydrophobe oberflächenreste und begünstigen rückfaltung im chaperon inneren
Fehlfaltungen
Können biologisch relevant sein, und auch im GG im nativen Protein vorliegen
-> Regulation der “ proteostase”: GG zw synthesefkt und Abbau-> Regulation durch “ ubiquitin” weg
Krankheiten die durch fehlgefaltete Proteine verursacht werden
Alzheimer, BSE, parkinson, Diabetes Typ II
Formel als Begründung Der irreversibilität der faltung
DeltaG = deltaH -T× deltaS
|T×deltaS| > |deltaH|
Entfaltete proteine
Random Coil
Keine WW
Alle faltungen möglich
ZAM
Zipping and Assembly method
-> bestimmt Richtung der Faltung
Beispiel für ein chaperon
GroEL
Faltungstypen
Rossman, TIM Barrel, Jelly Roll
-> gibt viele verschiedene
Ort der Protein-BS (Biosynthese)
Ribosom
Anfinsen Dogma
jedes Protein hat eine Idealstruktur, die am energetisch günstigsten ist
bei korrekt gefalteten Proteinen
random coils
entfaltet Proteine
ohne WW, alle Faltungen möglich
kovalente Bindung
Disulfid-Bindung
Gesetzt von Coulomb
F = (k x q1 x q2)/(D x r^2)
F: freie Gibbsche Energie
q: Ladung
D: Dielektr. Konstante
k: 1/(4xPi) : Coulomb-Konstante
E = (k x q1 x q2)/D x r) in [kJ/mol]
molten globulate state
Zustand der geschmolzenen kügelchen
- > geladene Reste benötigen komplementäre Ionen-SK
- > hydrophober binärer Code braucht WW
2D-Energie-Diagramm
Entropie und Energie fallen bei der Faltung
Unordnung und Energie sinkt
Konformation-Space-Network
beschreibt signifikanten E-Minima
beinhalten hoch-verbundene Faltungendient zur Konformation-Identifizierung
Basis zum Verständnis der Heterogenität des TS (transition state)/ dem denaturierten Status/ der verschiedeen Faltungswege
Energie-Oberflächen-kalkulations-Diagramm
X - E: Energie
Y - P: Space
Z - Q: Progression (variable Nummer von nativen WW)
- temperaturabhängig: bei hoher Temperatur, mehr native WW-Möglichkeiten -> mehrere Wege zum nativ gefalteten Protein
Berechnung von Faltungsmöglichkeiten
(n_Konformationen)^[n_AS]
