Enthalpie, freie Enthalpie, freie Energie Proteinfaltung, DNA – Struktur Thomas Ellinghaus & Niklas Hoffmann

Enthalpie Energiemaß, das nur von der Wärme abhängt Innere Energie: ∆U = ∆Q + ∆W ► - p∆V Lösung: Enthalpie ∆H = ∆U + ∆(pV) Unter isobaren Bedingungen: ∆H = ∆U + p∆V = ∆Q

Freie Enthalpie 2) in 1) einsetzen, T multiplizieren

Freie Energie Unter isobaren Bedingungen: ∆Q = ∆H ∆G = ∆H - T∆S Unter isochoren Bedingungen: ∆Q = ∆U ∆F = ∆U - T∆S

Freie Enthalpie ΔG ist Indikator, ob Reaktionen spontan ablaufen: ΔG < 0: exergon, Reaktion läuft spontan ab ΔG > 0: endergon, Reaktion läuft spontan nicht ab

Anfinsen - Experiment Ribonuclease A 1) Entfaltung 2) Erneute Faltung

Anfinsen - Experiment Strukturinformation muss in Protein gespeichert sein! Möglichkeit: Energie in Form von ∆G!

Proteinfaltung Freie Enthalpie ΔG < 0

Proteinfaltung Kräfte bei der Proteinfaltung: Enthalpie Entropie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt

Proteinfaltung - Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt H – Brücken: Stabilisieren vor allem Sekundärstrukturen ΔH : Zunahme

Proteinfaltung - Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt Ionische Wechselwirkungen pH – abhängig Ladungsabhängig Aminosäuren mit permanenter Ladung, Lysin, Arginin, Aspartat, Glutamat ΔH : Zunahme

Proteinfaltung - Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt Disulfidbrücken Stabilisieren Faltungen Kovalente Bindungen Immunoglobulin G ΔH : Zunahme

Proteinfaltung - Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt Van der Waals – Kräfte: Dispersionskräfte, zB. Unpolare Reste von Aminosäuren Permanente Dipole, zB. Peptidbindung Dipol / induzierter Dipol, zB. Aromaten ΔH : Zunahme

Proteinfaltung Enthalpie Entropie ? Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie ?

Proteinfaltung - Entropie Primärstruktur: Hohe Entropie Tertiärstruktur: Niedrige Entropie Trotzdem Faltung…. Hydrophober Effekt Beispiel Langkettiges Kohlenhydrat

Proteinfaltung - Entropie Lipid in Wasser: Bildet schnell einen großen Tropfen Wasser bildet Hydratkäfig um unpolare Substanzen

Proteinfaltung - Entropie Zusammenlagerung dieser Reste reduziert die Anzahl an Wassermolekülen, die an der Käfigbildung beteiligt sind Entropiegewinn des Wassers Fetttropfen sind aus Sicht des Wassers entropisch günstiger als Einzellipide →

Proteinfaltung - Entropie Polypeptidkette: Großer Entropieverlust durch Faltung Wasser Kleiner Entropiegewinn durch Faltung

Energetische Betrachtung Rel. ΔG Entropieverlust Entropiegewinn Enthalpiegewinn ∆G = ∆H - T∆S

DNA Doppelstrang-Helix Warum diese Form? Struktur: Helix besteht aus Phosphat-/ Zucker-Rückgrat außen Nukleinbasen im Zentrum

DNA-Struktur Warum in Form einer Helix? Maximierung der Abstände der Phosphate zueinander Phosphate stoßen sich voneinander ab Nachbarnukleotide quer zur Helixachse längs zur Helixachse

DNA-Struktur Nachbarnukleotide haben größten Einfluss: Abstoßungskraft gleichartiger Ladungen nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab Flashback: Coulombsches Gesetz d.h.

DNA-Struktur Folge: Phosphate maximieren Abstand durch Bildung kreisförmiger Struktur Zusätzlicher Vorteil: polare Phosphate zeigen zum polaren Lösungsmittel (H2O) hin unpolare Nukleinbasen zeigen zueinander und nach innen, werden so abgeschirmt Modelle Pauling vs. Watson und Crick

DNA-Struktur Bildung der Helix führt zu erheblichem ΔG-Gewinn ΔH-Zunahme bei ΔS-Abnahme: 1) Wasserstoff-brückenbindungen der Basen 2) Basenstapelung: van-der-Waals-Kräfte, hydrophobe Wechselwirkungen

1) Wasserstoff-brückenbindungen Paarungen haben exakt gleiche Abmessungen → Gleichmäßigkeit A/T-Paar liefert 2 H-Brücken G/C-Paar liefert 3 H-Brücken → ΔG-Gewinn steigt mit G/C-Anteil → Energieaufwand zur Helix-Entwindung steigt mit dem G/C-Gehalt

Exkurs: Schmelztemperatur von DNA Denaturierung (Schmelzen, Entstapelung) von DNA-Doppelstrang benötigt Energiezufuhr Tm ist die Temperatur, bei der die Hälfte der Helix gespalten ist (Wärmezufuhr)

Exkurs: Schmelztemperatur von DNA Frage: Ist Tm von purer G/C-Helix 3/2 von Tm von purer A/T-Helix? Nein! → Verhältnis ist geringer, d.h. ΔG-Gewinn beruht auch auf zusätzlichem Faktor...

2) Basenpaarung noch nicht komplett erforscht Versuche zeigen aber, dass freie Nukleotide stapeln sich in Lösung nach bestimmtem Muster freiwillig Steigende Hydrophobizität fördert Basenstapelung m: Molalität Ф: osmotischer Koeffizient

DNA-Struktur Basenstapelung nur bei Helix-Form H-Brücken liefern zwar ΔH-Zunahme, sorgen jedoch vor allem für Spezifität; Hauptanteil durch Basenstapelung ΔH-Zunahme ist treibende Kraft der Helix-Formation

Vergleich Proteine & DNA Gemeinsamkeit: Ausbildung von Superstrukturen exergonisch Unterschied: Proteinfaltung enthalpisch und entropisch, Helix-Formation enthalpisch angetrieben

Quellen Biochemistry (Voet, Voet) Biochemistry (Berg, Tymoczko, Stryer) Methoden der Biophysikalischen Chemie (Winter, Noll) Physical Chemistry for the Life Sciences (Atkins, de Paula) The Biochemistry of Nucleic Acids (Adams, Knowler, Leader) Introduction to Protein Structure (Branden, Tooze) Vorlesungsfolien (Stehle, Ihringer, Enderlein)