Biologisch wichtige organische Verbindungen II M. Kresken

Proteine M. Kresken

Peptide, Proteine Die Carboxylgruppe einer Aminosäure kann mit einer Aminogruppe einer Aminosäure unter Wasserabspaltung reagieren (Kondensation). Die Aminosäuren sind durch Carbonsäureamid-Bindungen zwischen -Carboxy- und -Amino-Gruppe verknüpft. Die Bindung wird als Peptidbindung bezeichnet, in der alle Atome in einer Ebene liegen, d.h. es entstehen Kettenmoleküle. M. Kresken

Peptide, Proteine M. Kresken

Peptide, Proteine Angiotensin II Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe DRVYIHPF M. Kresken

Peptide, Proteine Anzahl der verknüpften Aminosäuren (AS) Bezeichnung Beispiel 2 Dipeptid „Penicillin” Val-Cys 3 Tripeptid Glutathion Glu-Cys-Gly Bis 10 Oligopeptid Ocytocin 9 AS (Oxytocin) Mehr als 10 Polypeptid Insulin 51 AS Mehr als 100 Protein (Makropeptid) Hämoglobin

Struktur der Peptide / Proteine Proteine sind Moleküle, deren Molekulargewicht 10.000 bis mehrere Millionen u beträgt. Da sie sehr spezifische Aufgaben (z.B. als Enzyme) haben, liegen Proteine nicht einfach als Ketten vor. M. Kresken

Struktur der Proteine Primärstruktur: Hierunter versteht man die Aminosäuresequenz -Ala-Gln-Val-Lys-Gly-His-Gly- Lys-Lys-Val-Ala-Asp-Ala-Leu- Thr-Asn-Ala-Val-Ala-His-Val- Aminsäurereste 53-74 der -Untereinheit des Hämoglobins M. Kresken

Struktur der Proteine Sekundärstruktur: Sind durch Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) stabilisierte Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation. Die Teilsequenz ist zu einer α-Helix gefaltet. Die Peptidkette ist hier schraubenförmig gewunden. α-Helices werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den NH- und CO-Gruppen von Resten, die in der Sequenz jeweils um 4 Positionen voneinander entfernt sind, stabilisiert. M. Kresken

Struktur der Proteine Sekundärstruktur: M. Kresken

Struktur der Proteine Sekundärstruktur: M. Kresken

Struktur der Proteine Tertiärstruktur: Als Tertiärstruktur bezeichnet man die aus Sekundärstruktur-Elementen und ungeordneten Bereichen aufgebaute, dreidimensionale Konformation eines Proteins. M. Kresken

Struktur der Proteine 4. Quartärstruktur: Viele Proteine lagern sich aufgrund nichtkovalenter Wechselwirkungen zu symmetrischen Komplexen (Oligomeren) zusammen. Die Komponenten oligomerer Proteine (meist 2-12) bezeichnet man als Untereinheiten oder Monomere. Im Hämoglobin bilden zwei - (braun) und zwei -Untereinheiten (grün) ein Tetramer. M. Kresken

Proteine Man unterscheidet: Strukturproteine Lösliche Proteine M. Kresken

Strukturproteine Faserförmige (fibrilläre) Proteine Verleihen extrazellulären Strukturen mechanische Festigkeit Sind am Aufbau des Cytoskeletts* beteiligt *Das Cytoskelett dient u.a. dazu, die Form der Zellen aufrecht zu erhalten. M. Kresken

Strukturproteine -Keratin Haare (Wolle), Federn, Nägel, Klauen bestehen überwiegend aus Keratin. Liegt überwiegend -helical gewunden vor Jeweils zwei Ketten bilden eine linksgängige Superhelix. Die superhelicalen Keratin-Dimere treten wiederum zu Tetrameren zusammen, die weiter zu Protofilamenten mit einem Durchmesser von 3nm aggregieren. Acht Protofilamente bilden ein Intermediärfilament mit einem Durchmesser von 10 nm.

Strukturproteine Collagen In Säugetieren ist Collagen das quantitativ wichtigste Protein.. Collagen kommt in zahlreichen Formen, vor allem im Bindegewebe vor. Ein Drittel der Aminosäuren entfällt auf Glycin (Gly) und je 10% auf Prolin (Pro), Hydroxyprolin (Hyp) und Hydroxylysin (Hyl). In der Sequenz der Collagene wiederholt sich ständig das Triplett Gly-x-y, wobei die Positionen x und y häufig von Pro und Hyp eingenommen werden. Liegt weitgehend als Tripelhelix vor.

Lösliche Proteine Globuläre Proteine Sind kugelförmig (globulär) Besitzen in ihrer aktiven Form eine definierte Raumstruktur (native Konformation) Zerstört man diese (durch Denaturierung), verschwindet die biologische Wirkung, meist fällt das Protein auch in unlöslicher Form aus. Die native Konformation wird stabilisiert durch Wasserstoffbrücken (nicht nur zwischen Sekundärstrukturen, sondern auch zwischen Seitenketten weiter entfernter Reste. Disulfidbrücken Komplexbildung mit Metallionen

Lösliche Proteine Globuläre Proteine II Besonders wichtig für die Proteinstabilität ist der hydrophobe Effekt In der nativen Form sind die meisten hydrophoben Aminosäurereste im Inneren der Struktur angeordnet, während die Mehrzahl der polaren Aminosäuren in Kontakt mit dem umgebenden Wasser auf der Oberfläche liegt. Zur Denaturierung kommt es bei extremen pH-Werten, hohen Temperaturen, oder Einwirkung von organischen Lösungen, Detergenzien u.a. Substanzen, z.B. Harnstoff. Rückkehr zur nativen Form möglich (Bsp. Ribunuclease)

Proteinmodifizierung (posttranslational)

Proteinmodifizierung (posttranslational) Findet meist im Endoplasmatschen Retikulum statt Man schätzt, dass im tierischen Organismus 80% aller Proteine N-terminal acyliert werden, wobei lösliche Proteine meist acetyliert sind. Glykolisiert werden vor allem extrazelluläre Proteine (z.B. Plasmaproteine [außer Albumin]). Bei Plasmaproteinen dient die Glykolisierung der Erkennung durch Rezeptoren in der Leber, bei Mucinen (Schleimstoffen) erhöht sie die Wasserbindungsfähigkeit. Die Phosphorylierung (und Dephosphorylierung) spielt bei der Regulation von Stoffwechsel, Zellproliferation und Zelldifferenzierung eine Rolle. Die Acetylierung der -Aminogruppe des Lysins ist ein wichtiger Mechanismus zur Kontrolle der Genaktivität. Auch viele Coenzyme und Cofaktoren sind kovalent mit Lysin verbunden. M. Kresken

Funktionen der Proteine Strukturproteine sind für Form und Stabilität von Zellen verantwortlich. Transportproteine Hämoglobin der Erythrozyten (Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen Lunge und den Geweben) Albumine im Blutplasma transportieren körpereigene und körperfremde Substanzen. Ionenkanäle und andere integrale Membranproteine vermitteln den Transport von Ionen und Metaboliten durch Membranen. Abwehrproteine (Immunglobuline, Antikörper) unterstützen die spezifische Immunabwehr. M. Kresken

Funktionen der Proteine Regulatorische Proteine wirken als Signalstoffe (Hormone) oder Rezeptoren. Katalytische Proteine (Enzyme) > 2.000 bekannte Vertreter Massen von 10-15 kDa bis > 500 kDa Motorproteine - das Zusammenspiel von Actin und Myosin ist für die Muskelkontraktion verantwortlich. Speicherproteine – 6 kg Muskelprotein können in Hungerphasen als Nährstoffreserve zur Verfügung gestellt werden. M. Kresken

Funktionen der Proteine Transsprip- tionsfaktor Funktionen der Proteine DNA Strukturbildung Bewegung Transport Katalyse Regulation Abwehr Alkohol-Dehydrogenase Histone Glutamin-Synthetase Somatropin-Rezeptor Ionenkanal Somatropin Präalbumin Insulin Collagen- Trippelhelix Immunglobulin F-Actin Hamoglobin 10 nm Myosin

Zusammengesetzte Proteine Mit Zucker - Glycoproteine Mit Lipiden - Lipoproteine Häm - Hämoglobin M. Kresken

Glykoproteine Proteine an der Oberfläche der Plasmamembran sind meist, cytoplasmatische Proteine selten glycosyliert. Können mehr als 70% Kohlenhydrat enthalten M. Kresken

Lipoproteine Lipoproteine sind Aggregate aus Lipiden und Proteinen (sog. Apoproteine). M. Kresken

Hämoglobin Erythrozyten enthalten den Farbstoff Hämoglobin, der Sauerstoff und Kohlendioxid reversibel bindet. Annähernd kugelförmiges Molekül Besteht aus vier gefalteten Polypeptidketten (2 α-Ketten mit je 141 AS und 2 β-Ketten mit je 146 AS), von denen jede ein nahezu ebenes Häm-Molekül gebunden hat.

Enzyme Enzyme sind Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen. Es gibt auch Biokatalysatoren, die keine Enzyme sind (Ribozyme, katalytisch aktive RNA) Jede Zelle verfügt über eine eigene genetisch festgelegte Enzymausstattung, über die koordinierte Reaktionsfolgen entstehen (Stoffwechselwege). Enzyme sind auch an Regulationsmechanismen beteiligt, die auf diese Weise den Stoffwechsel an veränderte Bedingungen anpassen. M. Kresken

Spezifität der Enzyme Die Wirkung der meisten Enzyme ist hochspezifisch. Dies bezieht sich auf den Typ der katalysierten Reaktion (Wirkungsspezifität) wie auch auf die Art der Verbindungen, die sie katalysieren (Substratspezifität). Außerdem sind die meisten Enzyme in der Lage zwischen Stereoisomeren zu unterscheiden (Stereospezifität). M. Kresken

Spezifität der Enzymkatalyse *Km, Michaelis-Konstante * M. Kresken

Klassifizierung der Enzyme Sechs Hauptklassen, Unterklassen EC-Nummer Lactatreductase (1.1.1.27) Klasse 1: Oxidreduktasen 1.1. CH – OH-Gruppe als Elektronendonator 1.1.1. NAD(P)+ als Akzeptor M. Kresken

Klassifizierung der Enzyme Der Name eines Enzyms setzt sich aus drei Teilen zusammen: Name des umgesetzten Substrats Art der katalysierten Reaktion Silbe -ase als Endung Lactat-Dehydrogenase M. Kresken

Klassifizierung der Enzyme Oxidreduktasen (Klasse 1) katalysieren Redox-Reaktionen; Übertragung von Elektronen Transferasen (Klasse 2) übertragen Gruppen, z.B. Amino-Gruppen, Phosphat-Reste Enzyme der Klassen 1 und 2 benötigen stets Coenzyme Hydrolasen (Klasse 3) übertragen Gruppen; Akzeptor ist kein Coenzym, sondern ein Wassermolekül Lyasen (Klasse 4) (je nach bevorzugter Reaktionsrichtung auch als „Synthasen“ bezeichnet) katalysieren die Spaltung oder Bildung chemischer Bindungen. Dabei können Doppelbindungen entstehen oder verschwinden. Isomerasen (Klasse 5) verschieben Gruppen innerhalb eines Moleküls; keine Änderung der Summenformel Ligasen (Klasse 6, „Synthetasen“) katalysieren Verknüpfungsreaktionen; sind energetisch an die Spaltung von Nucleosidtriphosphaten (meist ATP) gekoppelt M. Kresken

Enzym-katalysierte Reaktion M. Kresken

Coenzyme, Cofaktoren Enzyme, die Gruppenübertragungsreaktionen katalysieren, benötigen in der Regel Coenzyme Da Coenzyme selbst nicht katalytisch aktiv sind, ist der weniger gebräuchliche Begriff „Cosubstrate“ zutreffender. Lösliche Coenzyme werden während der Reaktion wie Substrate gebunden, chemisch verändert und wieder frei gesetzt. Als prosthetische Gruppen bezeichnet man dagegen Coenzyme, die fest an ein Enzym gebunden sind und dieses während der Reaktion nicht verlassen. Viele Coenzyme sind aromatische Verbindungen, die von tierischen Zellen nicht von Grund auf synthetisiert werden. Ihre Vorstufen müssen daher als Vitamine mit der Nahrung zugeführt werden. Auch Metall-Ionen können als Cofaktoren von Enzymen dienen. Manche stabilisieren die native Konformation des akiven Zentrums, andere beteiligen sich an Redox-Reaktionen (Spurenelemente). M. Kresken

Coenzyme (Auswahl) Redox-Coenzyme NAD(P)+/NADH(P) (übertragen Hydrid-Ionen – 2e- und 1 H+) Flavine (2e- / 2 H+), Ubichinon – Coenzym Q (2e- / 2 H+), Ascorbinsäure – Vitamin C (2e- / 2 H+), Liponamid (2e- / 2 H+), Häm (1e-) Gruppen-übertragende Coenzyme Nucleosidphoshate - Übertragung von Phosphatresten (Phosphorilierung) Coenzym A (enthält Pantothenat) – Übertragung von Acylresten Tetrahydrofolat – Übertragung von C1-Gruppen M. Kresken

NAD(P)+ Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid) Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat) M. Kresken L, lösliches Coenzym

Nucleosidphosphate / Coenzym A

(Wasserlösliche) Vitamine

(Wasserlösliche) Vitamine II