Teil 4 Flashcards
Was hat die von Linus Pauling und Robert B. Corey durchgeführte Röntgenstrukturanalyse von Kristallen kleiner Peptide gezeigt? Wie ließen sich die erzielten Ergebnisse interpretieren? Wie bezeichnet man diese Struktur?
Beobachtungen:
* Peptidbindung ist starr und planar
- C=O Bindung ist länger als jene von gewöhnlichen Aldehyden und Ketonen
- die C-N Bindung ist kürzer als eine normale C-N Bindung, aber länger als eine C=N Doppelbindung
Interpretation:
* Geometrie weist stark darauf hin, dass das N-Atom der C-N Bindung sp2 hybridisiert ist und dass das freie Elektronenpaar des Stickstoff zum Carbonylsauerstoff delokalisiert. Somit ist die tatsächliche Struktur ein Resonanzhybrid von 2 mesomeren Grenzstrukturen. Die C-N Bindung besitzt dadurch etwa 40% Doppelbindungscharakter
* Wegen partiellen Doppelbindungscharakter sitzen die 6 Atome der Peptidbindung in einer Ebene (sind coplanar) und die frei Drehbarkeit der C-N Bindung geht verloren
In welcher geometrischen Konfiguration kommen Peptidbindungen am meisten vor? Welche Ausnahme gibt es? Was ist der Grund für die Annahme einer solchen Konfiguration?
- Anordnung der Seitenreste und der flankierenden C-alpha-Atome um Peptidbindung ist nahezu immer trans
- Ausnahme: für Prolin als nachfolgender Rest ist cis-Konfiguration ebenfalls möglich (Verhältnis Trans:cis = 5:1), Trans-Konfiguration nur geringfügig bevorzugt gegenüber cis-Konfiguration
- Grund: sterische Hinderung (Überlappung der Van der Waals Radien) - Trans-Konfiguration ist wegen geringerer sterischer Hinderung stabiler als cis-Konfiguration
Was versteht man unter dem Van der Waals Radius? Was passiert bei der Annäherung von zwei äquivalenten Atomen
- ist definiert als die Hälfte des Abstandes zwischen den Kernen zweier äquivalenter Atome oder Gruppen, wenn sich diese am Energieminimum befinden
- Anziehung steigt bis zum Van der Waals Abstand
- Bei Annäherung über den Van der Waals Abstand –> Potentielle Energie sehr hoch aufgrund von Abstoßung
- Bei Entfernung von Atomen –> potentielle Energie sinkt
Konformation der Polypeptidkette: Durch welche Angaben kann die molekulare Geometrie von Proteinen beschrieben werden?
- Bindungslänge
- Bindungswinkel
- Diederwinkel = Torsionswinkel
Welche Diederwinkel bestimmen maßgeblich die Backbone-Konformation der Polypeptidkette?
- Diederwinkel ω um CO-NH nicht drehbare, planare Peptidbindung: bei cis-Konformation ω=0°, bei trans-Konformation ω=180°
- rotierbar: N-C⍺ Bindung –> Diederwinkel ɸ (phi)
- rotierbar: C⍺-CarbonylC Bindung –> Diederwinkel ψ (psi)
Generell werden nur 10% der möglichen {ɸ, ψ} Kombinationen in Proteinen aufgefunden - Warum?
Nicht alle ɸ/ψ Diederwinkel sind energetisch möglich, da es bei vielen Kombinationen der Rotationswinkeln ɸ und ψ zur Überlappung der van der Waals Sphären von Haupt- als auch Seitenkettenatomen kommt –> sterische Hinderung
Somit sind nur bestimmte, durch Drehung um die Molekülachsen N-Cα und Cα-CO erhältliche Anordnungen aus räumlichen Gründen erlaubt!
Was wird durch das Ramachandran-Diagramm beschrieben? Auf welchen Annahmen basiert das Ramachandran-Diagramm und wodurch wird es beeinflusst?
- Es beschreibt die erlaubten ɸ/ ψ Winkel für individuelle Aminosäuren in einer Polypetidkette (weiße Bereiche = verbotene Bereiche, dunkle Bereiche = keine sterische Hinderung)
- Annahmen: starre Peptidbindung und hartes Kugelmodell (keine Durchdringung der Elektronenwolke von Atomen, wenn der Abstand der Schwerpunkte kleiner ist als die Summe der van der Waals Radien)
- beeinflusst wird sie von der steirischen Hinderung zwischen Haupt- und Seitenkettenatomen
Was beschreit die Sekundärstruktur und welchen Kriterien unterliegt sie?
- lokale Faltung der Hauptkette des Proteins und bezieht sich vor allem auf AS, die in Sequenz nahe beisammen sind
Kriterien:
- Die Konformation, d.h. die beiden Diederwinkel ɸ und ψ müssen in Sekundärstrukturelementen in einem der erlaubten Bereiche des Ramachandran-Diagrammes liegen
- H-Brückenbindungs-Donatoren und -Akzeptoren der Hauptpeptidkette sollen möglichst vollständig abgesättigt sein –> zur energetischen Stabilisierung der Sekundärstruktur
Beschreibe 3 Klassen von Sekundärstrukturelementen (SSE) und nenne jeweils deren Vertreter!
- Reguläre SSE mit sich entlang der Hauptkette periodisch (regelmäßig) wiederholenden Wertepaaren ɸ und ψ. Wichtige Vertreter: ⍺-Helix (rechtsgängig), β-Faltblatt (antiparallel) und β-Faltblatt (parallel)
- Bestimmte häufig auftretende irreguläre (nicht periodische) Strukturen mit charakteristischen ɸ, ψ Paaren. Vertreter: β-Turns, bestimmte Loops
- Gelegentlich werden auch ungeordnete Bereiche mit beliebigen ɸ, ψ Werten dazugezählt. Die meisten großen Loops und Random Coil Regionen
Nenne Eigenschaften der ⍺-Helix (8 Punkte)
- Durch schraubiges Aufwinden der Polypeptidkette mit fixierten Werten von ɸ = -57° und ψ = -47° wird die Voraussetzung einer maximalen Anzahl an H-Brückenbindungen innerhalb dieses gewundenen Bereiches erfüllt (außer an den Enden)
- Ganghöhe (Anstieg/Umdrehung): 5,4 Å
- 3, 6 Reste per Umdrehung (= 360°)
- Anstieg per Rest: 1,5 Å
- Sauerstoff der C=O Gruppe des i-ten Aminosäurerest geht die Kette hinaufgehend mit dem Amid-Proton des (i+4)ten Aminosäurerests eine H-Brückebindung ein
- praktisch nur rechtsgängig in der Natur
- bildet ein Makrodipol: N-Terminus besitzt positiven Ladungsschwerpunkt, C-Terminus besitzt negativen Ladungsschwerpunkt
- Seitenketten zeigen nach außen
Welche AS destabilisieren die ⍺-Helix und warum?
- Glycin: wegen geringer sterischer Hinderung durch kleinen Rest (-H) sind für Glycin mehr ɸ, ψ Winkelpaare erlaubt als für alle anderen AS. Einfrieren in das einzige ɸ, ψ Winkelpaar (ɸ = -57° und ψ = -47°.) der ⍺-Helix ist daher für Glycin eitropisch besonders ungünstig.
- Prolin: Seitenrest ist ein starrer 5-er Ring, dessen Winkel ɸ nicht dem optimalen Winkel von -57° für ⍺-Helix entspricht. Außerdem ist Prolin eine Iminosäure, d.h. das N trägt kein positiv polarisiertes H-Atom, weshalb Prolin keine stabilisierende H-Brücke zur C=O Gruppe der 4. nächsten AS ausbilden kann.
Warum ist die ⍺-Helix ein Makrodipol?
n der ⍺-Helix sind alle H-Brückenbindungen und damit Peptidbindungen in derselben Richtung orientiert. Die Dipole der einzelnen Peptidbindungen addieren sich. Dadurch erhält die Helix ein merkliches Dipolmoment mit dem positiven Ladungsschwerpunkt beim N- Terminus und dem negativen am C- Terminus (z.T. wichtig für Katalyse durch Enzyme)
Welche anderen Polypetid -Helices gibt es noch außer die ⍺-Helix? Nenne deren Eigenschaften
- 3_10-Helix:
- 3 Reste pro Umdrehung, p (Ganghöhe) = 6 Å (steiler als ⍺-Helix, p = 5,4Å)
- H-Brücken zwischen i-ten und (i+3)ten AS
- meist nur eine Windung am N- oder C-Terminus
- π-Helix
- 4,4 Reste pro Umdrehung, p = 4,7 Å => dicker und flacher als ⍺-Helix
- H-Brücken zwischen i-ten und (i+5)ten AS
- noch seltener
Wie berechnet man die Ganghöhe p?
- p = pitch
- Reste per Umdrehung x Anstieg pro Rest
Woraus bestehen ß-Faltblattstrukturen? Wie können sie aussehen und welche Bindungen sind Charakteristisch für ß-Faltblattstrukturen? Warum kommt es zu einer Faltung? Wo befinden sich die Seitenketten?
- bestehen aus benachbarten β-Strängen = fast vollständig gestreckten Polypeptidketten
- Aussehen: parallele oder antiparallele β-Faltblätter
- charakteristische Bindung: H-Brückenbindung zwischen CO und NH zwischen den benachbarten β-Strängen
- Es kommt zu einer Faltung weil β-Stränge allein instabil sind, da keine Interaktionen zwischen den Atomen herrscht und das β-Faltblatt das volle Ausschöpfen des H-Brückenpotentials der Hauptkettenatome ermöglicht.
- Die Seitenketten befinden sich alternierend oberhalb und unterhalb der Ebene des β-sheets
