Enthalpie, freie Enthalpie, freie Energie

Präsentation zum Thema: "Enthalpie, freie Enthalpie, freie Energie"—  Präsentation transkript:

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

2 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

3 Freie Enthalpie 2) in 1) einsetzen, T multiplizieren

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

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

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

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

8 Proteinfaltung Freie Enthalpie ΔG < 0

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

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

11 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

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

13 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

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

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

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

17 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 →

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

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

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

21 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

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

23 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

24 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

25 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

26 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)

27 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...

28 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

29 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

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

31 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)