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| Question | Answer |
| Proteine zeigen eine geringfügige Stabilität | • Alle schwachen Wechselwirkungen (Elektrostatische WW, H‐Brücken und Van‐der‐Waals‐Kräfte) führen zur Stabilisierung der 3D‐Struktur. • Hydrophobe Effekte stabilisieren die globale Konformation • Peptidketten können, nachdem sie gefaltet wurden, kovalent durch Disulfidbrücken stabilisiert werden • Liganden-Bindung oder posttranslationale Modifikationen haben Einfluss auf die Stabilität • Freie Enthalpie (ΔG) der Entfaltung: ~10‐60 kJ mol‐1 |
| 3 Konzepte bilden die Grundlage zum Verständnis von Proteinfaltung | • Primärstruktur enthält alle Information für 3D‐Struktur • Native Struktur unabhängig vom Ausgangszustand •Faltung ist reversibel |
| Das Prinzip von Anfinsen (Thermodynamische Hypothese) | Die native Konformation ist die stabilste und ein Ergebnis des eingeschränkten Konformationsraums der Peptidbindungen und der Aminosäureseitenketten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. D.h. die dreidemensionaleStruktur ist in der Aminosäuresequenz codiert. |
| Anfinsens Experiment mit Ribonuclease | • 124 Aminosäuren, vier Disulfidbrücken • Denaturieren der nicht‐kovalenten Wechselwirkungen der nativen Struktur zum Zufallsknäuel („randomcoil“): Inkubieren mit Harnstoff • Reduzieren der kovalenten Disulfidbrücken: Zugabe von β-Mercaptoethanol • Renaturieren der nativen Struktur: Entfernen des Harnstoffs und β-ME durch Dialyse, Oxidieren der reduziertenCysteine durch Luftsauerstoff zu den nativen Disulfidbrücken • Proteinfaltung läuft spontan ab • Identische physikalische Eigenschaften bei nativem und rückgefaltetem Enzym • Alle Faltungsinformation in Sequenz kodiert |
| Native Struktur wird unabhängig vom Ausgangszustand des Proteins erreicht | - Peptidsynthese am Ribosom: Vom N zum C‐Terminus - Festphasenpeptidsynthese: Vom C zum N-Terminus - Chemisch synthetisierte RNAse wird enzymatisch aktiv |
| Proteindenaturierung | ist reversibel |
| Konformationelle Stabilität von Proteinen | Die Proteinkonformation stabilisierende nicht-kovalente Wechselwirkungen: •Können gestört werden durch Temperatur‐, pH‐, Druckänderung, Guanidiniumhydrochlorid, Harnstoff, Detergenzien •Wirken in der Summe stabilisierend: „Kooperativität“ (sigmoidale Übergänge) |
| Messung der Stabilität von RNAse A im Gleichgewicht | |
| Konformationelle Stabilität von Proteinen (Tabelle) | |
| Widersprüche zu Anfinsens Hypothese? | |
| Levinthals Paradox und die Geschwindigkeit von Proteinfaltung | |
| Levinthals Paradox und die Geschwindigkeit von Proteinfaltung 2 | • Faltung verläuft schrittweise über Zwischenstufen mit abnehmender Energie • Beginn an „Faltungsnuklei“ •„Suchen“ nach dem Minimum in der Energielandschaft • Faltungsgeschwindigkeiten üblicherweise Millisekunden (Femtosekunden bis Stunden wurden auch beobachtet) |
| Konformationsraum | Der Konformationsraum eines Moleküls enthält alle möglichen Konformationen. |
| Enthalpie | Die Enthalpie wird unter isobaren Bedingungen auch als Reaktionswärme bezeichnet. Sie ist die Energie, die ein System bei konstantem Druck als Wärme an die Umgebung abgibt oder entzieht. Die gesamte Energie einer Reaktion wird als Reaktionsenergie bezeichnet. |
| Entropie | Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung in einem System und die damit verbundene Anordnungsmöglichkeit der Teilchen in einem System. Die Entropie ist ein Instrument in der Chemie für Aussagen über die Wahrscheinlichkeit der Spontanität einer Reaktion. |
| Proteinfaltung –„Suche“ auf einer Proteinhyperfläche | |
| Proteinfaltung | • Codierung der nativen Struktur in der Sequenz •Reversibler Prozess, Stabilisierung hochkooperativ über schwache, nicht kovalente Wechselwirkungen, kompensieren den Verlust an Kettenentropie bei der Faltung •Die native Konformation muss über ein Set erlaubter Konformationen erreichbar sein, d.h. der Faltungsweg muss zugänglich sein, u.U. nur für Prosequenzen oder mithilfe von Chaperonen |
| Chaperone | Chaperone sind Proteine, die bei Zellen (Eukaryonten) für die korrekte Faltung anderer komplexer Proteine sorgen. |
| Proteinfaltung (Internet) | Faltung eines Polypeptids in seine native Struktur, d.h. seine dreidimensionale biologisch funktionelle Struktur oder native Konformation. Der Verlust dieser nativen Struktur wird als Denaturierung, die Wiederherstellung als Renaturierung bezeichnet. In der lebenden Zelle faltet sich ein neu synthetisiertes Protein rasch und spontan in seine native dreidimensinale Sruktur, Untereinheiten lagern sich zur Quartärstruktur zusammen, ein Prozess der als kooperative Selbst-Assemblierung bezeichnet wird. Diese und die vorhergehende P. werden in der Zelle durch so genannte faltungsakzessorische Proteine beschleunigt. Zusätzlich kann die Bildung von Disulfidbindungen in neu synthetisierten Proteinen die Struktur des Proteins nach der posttranslationalen Modifikation vorgeben. |
| Zusammenfassung | 1.Proteine werden durch die Summe aller schwachen, nicht‐kovalenten Wechselwirkungen kooperativ stabilisier 2. Die dreidimensionale Struktur ist ausschließlich in der Aminosäuresequenz kodiert (Hypothese von Anfinsen) und ist nicht von weiteren äußeren Faktoren abhängig. 3. Die Proteinfaltung ist prinzipiell reversibel und die Denaturierung von Proteinen durch Entfernen der die native Struktur störenden Bedingungen umkehrbar (Ribonuklease‐Experiment). 4. Die Faltung zur thermodynamisch stabilen, nativen dreidimensionalen Struktur wird über Chaperone und Prosequenzen unterstützt. 5.Proteinfaltung verläuft schnell meist in Millisekunden über ein Set von Zwischenstufen, der gesamte Konformationsraum muss nicht durchsucht werden (LevinthalsParadox). |
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