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S2018_Lecture06_Lesen - Biologie


Aminosäuren

Aminosäuren sind die Monomere, aus denen Proteine ​​bestehen. Jede Aminosäure hat auch ein anderes Atom oder eine Gruppe von Atomen, die abwechselnd als R-Gruppe, variable Gruppe oder Seitenkette an den Alpha-Kohlenstoff gebunden sind.

Aminosäuren haben einen zentralen asymmetrischen Kohlenstoff, an den eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, ein Wasserstoffatom und eine Seitenkette (R-Gruppe) gebunden sind.

Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Hinweis: Mögliche Diskussion

Denken Sie daran, dass eines der Lernziele für diesen Kurs darin besteht, dass Sie (a) in der Lage sind, in einem Moleküldiagramm das Rückgrat einer Aminosäure und ihre Seitenkette (R-Gruppe) zu erkennen und (b) dass Sie in der Lage sind Zeichnen Sie eine generische Aminosäure. Stellen Sie sicher, dass Sie beides üben. Sie sollten in der Lage sein, so etwas wie die obige Abbildung aus dem Gedächtnis nachzubilden (eine gute Verwendung Ihres Skizzenbuchs besteht darin, das Zeichnen dieser Struktur zu üben, bis Sie es mit der Krücke eines Buches oder des Internets tun können).

Das Aminosäure-Rückgrat

Der Name "Aminosäure" leitet sich von der Tatsache ab, dass alle Aminosäuren in ihrem Rückgrat sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carboxylsäuregruppe enthalten. In natürlichen Proteinen sind 20 gängige Aminosäuren vorhanden und jede davon enthält das gleiche Rückgrat. Das Rückgrat besteht, wenn man die Wasserstoffatome ignoriert, aus dem Muster:

N-C-C

Bei der Betrachtung einer Aminosäurekette ist es immer hilfreich, sich zunächst zu orientieren, indem man dieses Rückgratmuster ausgehend vom N-Terminus (dem Aminoende der ersten Aminosäure) bis zum C-Terminus (dem Carbonsäureende der letzten Aminosäure) findet ).

Die Bildung von Peptidbindungen ist eine Dehydratisierungssynthesereaktion. Die Carboxylgruppe der ersten Aminosäure ist mit der Aminogruppe der zweiten eingehenden Aminosäure verknüpft. Dabei wird ein Wassermolekül freigesetzt und eine Peptidbindung gebildet.
Versuchen Sie, das Rückgrat des bei dieser Reaktion gebildeten Dipeptids zu finden. Das gesuchte Muster ist: N-C-C-N-C-C

Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Die Reihenfolge und die Anzahl der Aminosäuren bestimmen letztendlich Form, Größe und Funktion des Proteins. Jede Aminosäure ist durch eine kovalente Bindung an eine andere Aminosäure gebunden, bekannt als a Peptidbindung, das durch eine Dehydratisierungs-Synthese-(Kondensations-)Reaktion gebildet wird. Die Carboxylgruppe einer Aminosäure und die Aminogruppe der eingehenden Aminosäure verbinden sich, wodurch ein Wassermolekül freigesetzt wird und die Peptidbindung entsteht.

Aminosäure R-Gruppe

Die Aminosäure R-Gruppe ist ein Begriff, der sich auf die variable Gruppe an jeder Aminosäure bezieht. Das Aminosäurerückgrat ist bei allen Aminosäuren identisch, die R-Gruppen sind bei allen Aminosäuren unterschiedlich. Für die Struktur jeder Aminosäure siehe die Abbildung unten.

Es gibt 20 gängige Aminosäuren in Proteinen, jede mit einer anderen R-Gruppe (Variantengruppe), die ihre chemische Natur bestimmt. R-Gruppen sind blaugrün eingekreist. Ladungen werden unter Annahme eines pH-Werts von ~6,0 zugewiesen. Der vollständige Name, die dreibuchstabigen Abkürzungen und die einbuchstabigen Abkürzungen werden alle angezeigt.

Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Hinweis: Mögliche Diskussion

Lassen Sie uns über die Relevanz von 20 verschiedenen Aminosäuren nachdenken. Wenn Sie die Biologie nutzen würden, um Proteine ​​von Grund auf neu aufzubauen, wie wäre es dann nützlich, wenn Sie 10 weitere verschiedene Aminosäuren zur Verfügung hätten? Dies geschieht übrigens in einer Vielzahl von Forschungslabors – warum sollte das möglicherweise nützlich sein?

Jede variable Gruppe einer Aminosäure verleiht dieser Aminosäure spezifische chemische Eigenschaften (sauer, basisch, polar oder unpolar). Die meisten funktionellen Gruppen in den R-Gruppen sollten Ihnen inzwischen bekannt sein. Die chemischen Eigenschaften, die mit der gesamten Sammlung einzelner funktioneller Gruppen verbunden sind, verleihen jeder Aminosäure-R-Gruppe ein einzigartiges chemisches Potenzial.

Aminosäuren wie Valin, Methionin und Alanin sind zum Beispiel typischerweise unpolar oder hydrophob, während Aminosäuren wie Serin und Threonin polaren Charakter haben sollen und hydrophile Seitenketten besitzen.

Hinweis: Üben

Versuchen Sie mit Ihrem Wissen über funktionelle Gruppen, jede Aminosäure in der obigen Abbildung entweder als polar oder unpolar zu klassifizieren. Versuchen Sie, andere Klassifikationsschemata zu finden und machen Sie sich Listen der Aminosäuren, die Sie jeder Gruppe zuordnen würden. Sie können auch im Internet nach Klassifizierungsschemata für Aminosäuren suchen – Sie werden feststellen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, diese Chemikalien basierend auf ihren chemischen Eigenschaften zu gruppieren. Sie können sogar feststellen, dass es widersprüchliche Schemata gibt. Versuchen Sie, darüber nachzudenken, warum dies so sein könnte, und wenden Sie Ihre chemische Logik an, um herauszufinden, warum bestimmte Klassifikationsschemata übernommen wurden und warum bestimmte Aminosäuren in bestimmte Gruppen eingeordnet wurden.

Proteine

Proteine ​​sind eine Klasse von Biomolekülen, die eine breite Palette von Funktionen in biologischen Systemen erfüllen. Einige Proteine ​​dienen als Katalysatoren für spezifische biochemische Reaktionen. Andere Proteine ​​fungieren als Signalmoleküle, die es den Zellen ermöglichen, miteinander zu „sprechen“. Proteine, wie das Keratin in den Fingernägeln, können auch eine strukturelle Funktion haben. Während die Vielfalt möglicher Funktionen für Proteine ​​bemerkenswert vielfältig ist, werden alle diese Funktionen von einer linearen Anordnung von Aminosäuren kodiert, die jeweils über eine Peptidbindung mit ihrem Nachbarn verbunden sind. Die einzigartige Zusammensetzung (Arten von Aminosäuren und deren Anzahl) und die Reihenfolge, in der sie miteinander verbunden sind, bestimmen die endgültige dreidimensionale Form, die das Protein annehmen wird, und damit auch die biologische "Funktion" des Proteins. Viele Proteine ​​können in einer zellulären Umgebung spontan und oft schnell ihre endgültige Form in einem Prozess annehmen, der als bezeichnet wird Proteinfaltung. Um ein kurzes (vier Minuten) Einführungsvideo zur Proteinstruktur anzusehen, klicken Sie hier.

Proteinstruktur

Proteinstrukturen können durch vier verschiedene Ebenen der strukturellen Organisation beschrieben werden, die als primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre Strukturen bezeichnet werden. Diese werden in den folgenden Abschnitten kurz vorgestellt.

Primärstruktur

Die einzigartige Sequenz von Aminosäuren in einer Polypeptidkette ist ihre Primärstruktur (Abbildung 1). Die Aminosäuren dieser Kette sind über eine Reihe von Peptidbindungen miteinander verbunden. Die Aminosäurekette wird oft als a . bezeichnet Polypeptid (mehrere Peptide).

Abbildung 1. Die Primärstruktur eines Proteins wird hier als "Beads on a string" mit markiertem N-Terminus und C-Terminus dargestellt. Die Reihenfolge, in der Sie diese Peptidkette lesen würden, würde mit dem N-Terminus als Glycin, Isoleucin usw. beginnen und mit Methionin enden.
Quelle: Erin Easlon (eigene Arbeit)

Aufgrund der gemeinsamen Rückgratstruktur von Aminosäuren hat das resultierende Rückgrat des Proteins ein sich wiederholendes -N-Cα-C-N-Cα-C- Muster, das in atomar aufgelösten Modellen von Proteinstrukturen leicht identifiziert werden kann (Abbildung 2). Beachten Sie, dass eines der Lernziele für diese Klasse darin besteht, ein Modell wie das folgende zu untersuchen und das Rückgrat der Seitenkettenatome zu identifizieren (z. B. die violette Spur und die blaue Schattierung erstellen, wenn keine vorhanden sind ). Dies kann durch das Finden des -N-Cα-C-N-Cα-C- Muster. Darüber hinaus besteht ein weiteres Lernziel für diese Klasse darin, dass Sie in der Lage sind, Zeichnungen zu erstellen, die die Struktur eines typischen Proteinrückgrats und seiner Seitenketten (auch bekannt als variable Gruppe, R-Gruppe) modellieren. Diese Aufgabe kann stark vereinfacht werden, wenn Sie daran denken, Ihr Modell zu starten, indem Sie zuerst das -N-C . erstellenα-C-N-Cα-C- Muster und dann die Variablengruppen ausfüllen.

Figur 2. Ein Modell eines kurzen, 3 Aminosäuren langen Peptids. Die Rückgratatome sind rot gefärbt. Die variablen R-Gruppen sind hellblau eingekreist. Eine violette Linie zeichnet das Rückgrat vom N-Terminus (Start) zum C-Terminus (Ende) des Proteins nach. Man kann (in Grün) das wiederholte -N-Cα-C-N-Cα-C- geordnetes Muster, indem man der violetten Linie von Anfang bis Ende folgt und die Rückgratatome in der Reihenfolge auflistet, in der sie angetroffen werden.
Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Sekundärstruktur

Aufgrund der spezifischen Chemie der Peptidbindung bildet das Rückgrat zwischen benachbarten alpha-Kohlenstoffatomen eine stark planare Struktur (Abbildung 3). Dies bedeutet, dass alle Atome, die durch das rosa Viereck verbunden sind, auf derselben Ebene liegen. Das Polypeptid ist daher strukturell eingeschränkt, da nur sehr wenig Rotation um die Peptidbindung selbst erfolgen kann. Vielmehr treten Rotationen um die beiden Bindungen auf, die sich von den Alpha-Kohlenstoffen weg erstrecken. Diese strukturellen Beschränkungen führen zu zwei häufig beobachteten Strukturmustern, die mit der Organisation des Rückgrats selbst verbunden sind.

Figur 3. Dargestellt ist die Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren. Das schattierte Viereck repräsentiert die planare Natur dieser Bindung.
Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Wir nennen diese Muster der Rückgratstruktur die Sekundärstruktur des Eiweißes. Die häufigsten Sekundärstrukturmuster, die durch Rotationen der Bindungen um jeden Alpha-Kohlenstoff auftreten, sind die α-Wendel, β-Blatt und Schleife Strukturen. Wie der Name vermuten lässt, ist die α-Helix zeichnet sich durch eine helikale Struktur aus, die durch Verdrehen des Rückgrats entsteht. Die β-sheet ist eigentlich die Assoziation zwischen zwei oder mehr Strukturen namens β-Stränge. Wenn die Orientierung (Richtung N-Terminus zu C-Terminus) zweier assoziierender β-Stränge in gleicher/paralleler Richtung orientiert sind, die resultierenden β-Blatt heißt a parallel β-Blatt. In der Zwischenzeit, wenn zwei Assoziationen β-Stränge sind in entgegengesetzte/antiparallele Richtungen orientiert, die resultierenden β-Blatt heißt an antiparallel β-Blatt. Die α-Helix und β-Faltblatt sind beide durch Wasserstoffbrücken stabilisiert, die sich zwischen den Rückgratatomen von Aminosäuren in unmittelbarer Nähe zueinander bilden. Genauer gesagt kann das Sauerstoffatom in der Carbonylgruppe einer Aminosäure eine Wasserstoffbindung mit einem an den Stickstoff gebundenen Wasserstoffatom in der Aminogruppe einer anderen Aminosäure bilden. Loop-Strukturen hingegen beziehen sich auf alle Sekundärstrukturen (z.B. Backbone-Strukturen), die auch nicht als solche identifiziert werden können α-Helix oder β-Blatt.

Figur 4. Die α-Helix und das β-Faltblatt sind Sekundärstrukturen von Proteinen, die durch Wasserstoffbrücken zwischen Carbonyl- und Aminogruppen im Peptidrückgrat stabilisiert werden. Beachten Sie, wie die Wasserstoffbrücken in einer Alpha-Helix zwischen relativ nahe beieinander liegenden Aminosäuren (etwa 4 Aminosäuren voneinander entfernt in der Aminosäurekette) auftreten, während die Wechselwirkungen, die in β-Faltblättern auftreten, zwischen Aminosäuren auftreten können, die viel weiter auseinander in der Kette.

Tertiärstruktur

Das Rückgrat und die sekundären Strukturelemente falten sich weiter zu einer einzigartigen und relativ stabilen dreidimensionalen Struktur namens Tertiärstruktur des Eiweißes. Die Tertiärstruktur ist das, was wir typischerweise mit der "funktionellen" Form eines Proteins assoziieren. In Abbildung 6 sind zwei Beispiele für die Tertiärstruktur gezeigt. In beiden Strukturen wird das Protein in einen "Cartoon" abstrahiert, der die Polypeptidkette als eine einzelne durchgehende Linie oder ein Band darstellt, das den Weg zwischen den Alpha-Kohlenstoffatomen von Aminosäuren verfolgt, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind - das Band verfolgt das Rückgrat des Proteins (Abbildung 5).

Abbildung 5. Wie Protein-Cartoon-Figuren gezeichnet werden. Proteinkarikaturen (wie die in Abbildung 6) sind vielleicht die gebräuchlichste Darstellung der dreidimensionalen Proteinstruktur. Diese Cartoon-Modelle helfen uns, die Hauptmerkmale einer Proteinstruktur zu visualisieren, indem sie den Weg von einem Alpha-Kohlenstoff zum nächsten entlang des Polypeptidrückgrats verfolgen. Dies wird als dicke violette Linie dargestellt. In einem längeren Polypeptid würde sich diese Linie fortsetzen und sich mit dem nächsten Alpha-Kohlenstoff verbinden, bis das Ende des Polypeptids erreicht war. Während diese Modelle es uns ermöglichen, die allgemeine Struktur eines Proteins zu visualisieren, lassen sie viele Details auf molekularer Ebene aus.

Das durch das Verbinden von Alpha-Kohlenstoff erzeugte Band kann als einfache durchgehende Linie gezeichnet werden oder es kann durch einzigartige Darstellungen sekundärer Strukturelemente verstärkt werden. Zum Beispiel, wenn ein α-Helix identifiziert wird, wird die Helix normalerweise durch Akzentuierung/Verbreiterung des Bandes hervorgehoben, um die Helixstruktur hervorzuheben. Wenn ein β-Strang vorhanden ist, wird das Band normalerweise verbreitert und ein Pfeil wird typischerweise an das C-terminale Ende jedes β-Strangs hinzugefügt - der Pfeil hilft, die Orientierung des Polypeptids zu identifizieren und ob β-Faltblätter parallel oder anti- . sind -parallel. Das dünne Band, das α-Helix- und β-Strang-Elemente verbindet, wird verwendet, um die Schleifen darzustellen. Loops in Proteinen können stark strukturiert sein und spielen eine wichtige Rolle in der Funktion des Proteins. Sie sollten nicht auf die leichte Schulter genommen oder als unwichtig abgetan werden, weil ihrem Namen ein griechischer Buchstabe fehlt.

Abbildung 6. Beispiele für Tertiärstrukturen von Proteinen. Sekundärstrukturelemente sind wie folgt gefärbt: β-Faltblatt - gelb, α-Helix - rot; Schleife - grün. In Bild A ist die Struktur des Proteins Gamma Crystallin (PDBID 1a45) - ein Protein, das im Wirbeltierauge gefunden wird - dargestellt. Dieses Protein besteht größtenteils aus β-Faltblatt und Schleifen. In Tafel B besteht die Struktur des Proteins Triosephosphat-Isomerase (PDBID 1tim) - ein Protein, das im glykolytischen Stoffwechselweg gefunden wird - aus β-Faltblatt, α-Helix und Schleifen, die die sekundären Strukturelemente verbinden.

Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Die Tertiärstruktur ist das Produkt vieler verschiedener Arten chemischer Wechselwirkungen zwischen Aminosäure-R-Gruppen, Rückgratatomen, Ionen in Lösung und Wasser. Diese Bindungen umfassen ionische, kovalente und Wasserstoffbrücken sowie Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Beispielsweise können sich ionische Bindungen zwischen verschiedenen ionisierbaren Seitenketten bilden. Es kann beispielsweise energetisch günstig sein, dass eine negativ geladene R-Gruppe (z. B. ein Aspartat) mit einer positiv geladenen R-Gruppe (z. B. ein Arginin) wechselwirkt. Die resultierende ionische Wechselwirkung kann dann Teil des Interaktionsnetzwerks werden, das hilft, die dreidimensionale Faltung des Proteins zu stabilisieren. Im Gegensatz dazu werden R-Gruppen mit ähnlichen Ladungen wahrscheinlich voneinander abgestoßen und bilden daher wahrscheinlich keine stabile Assoziation, wodurch eine Struktur, die diese Assoziation einschließen würde, nicht bevorzugt wird. Ebenso können sich Wasserstoffbrückenbindungen zwischen verschiedenen R-Gruppen oder zwischen R-Gruppen und Rückgratatomen bilden. Diese Wasserstoffbrückenbindungen können auch zur Stabilisierung der Tertiärstruktur des Proteins beitragen. In einigen Fällen können sich auch kovalente Bindungen zwischen Aminosäuren bilden. Die am häufigsten beobachtete kovalente Bindung zwischen Aminosäuren umfasst zwei Cysteine ​​und wird als Disulfidbindung oder Disulfidbindung bezeichnet.

Schließlich trägt die Assoziation der funktionellen Gruppen des Proteins mit Wasser auch dazu bei, chemische Assoziationen voranzutreiben, die zur Stabilisierung der endgültigen Proteinstruktur beitragen. Die Wechselwirkungen mit Wasser können natürlich auch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen polaren funktionellen Gruppen am Protein und Wassermolekülen umfassen. Vielleicht noch wichtiger ist jedoch der Antrieb des Proteins, zu vermeiden, dass zu viele hydrophobe funktionelle Gruppen mit Wasser in Kontakt kommen. Das Ergebnis dieses Wunsches, Wechselwirkungen zwischen Wasser und hydrophoben funktionellen Gruppen zu vermeiden, bedeutet, dass die weniger polaren Seitenketten oft außerhalb von Wasser miteinander assoziieren, was zu einigen energetisch günstigen Van-der-Waals-Wechselwirkungen und der Vermeidung von energetischen Nachteilen im Zusammenhang mit der Exposition der nicht -polare Seitenketten zu Wasser. Tatsächlich ist der energetische Nachteil so hoch, dass die unpolaren Seitenketten dem Wasser „ausgesetzt“ werden, dass das Vergraben dieser Gruppen vom Wasser als einer der primären energetischen Triebkräfte der Proteinfaltung und der stabilisierenden Kräfte angesehen wird, die das Protein in seinem Tertiär zusammenhalten Struktur.

Abbildung 6. Die Tertiärstruktur von Proteinen wird durch eine Vielzahl chemischer Wechselwirkungen bestimmt. Dazu gehören hydrophobe Wechselwirkungen, Ionenbindungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Disulfidbindungen. Dieses Bild zeigt eine abgeflachte Darstellung eines Proteins, das in einer Tertiärstruktur gefaltet ist. Ohne Abflachung hätte dieses Protein eine kugelförmige 3-D-Form.

Quartäre Struktur

In der Natur werden die funktionellen Formen einiger Proteine ​​durch die enge Assoziation mehrerer Polypeptide gebildet. In solchen Fällen werden die einzelnen Polypeptide auch als Untereinheiten bezeichnet. Wenn die funktionelle Form eines Proteins den Zusammenbau von zwei oder mehr Untereinheiten erfordert, nennen wir diese Ebene der strukturellen Organisation die des Proteins Quartärstruktur. Auch hier helfen Kombinationen von ionischen, Wasserstoff- und kovalenten Bindungen zusammen mit Van-der-Waals-Assoziationen, die durch das "Vergraben" hydrophober Gruppen an den Grenzflächen zwischen Untereinheiten auftreten, zur Stabilisierung der Quartärstrukturen von Proteinen.

Abbildung 7. Die vier Ebenen der Proteinstruktur können in diesen Abbildungen beobachtet werden.
Quelle: Änderung der Arbeit des National Human Genome Research Institute

Denaturierung

Wie bereits beschrieben, hat jedes Protein seine eigene einzigartige Struktur, die durch verschiedene Arten chemischer Wechselwirkungen zusammengehalten wird. Wenn das Protein Änderungen der Temperatur, des pH-Werts oder der Einwirkung von Chemikalien ausgesetzt ist, die die Natur oder die Assoziationen zwischen funktionellen Gruppen verändern, können sich die Sekundär-, Tertiär- und/oder Quartärstrukturen des Proteins ändern, obwohl die Primärstruktur erhalten bleibt das gleiche. Dieser Vorgang ist bekannt als Denaturierung. Während die Denaturierung im Reagenzglas oft reversibel ist, kann der Prozess in der Zelle aus praktischen Gründen oft irreversibel sein, was zum Verlust der Funktion und schließlich zum Recycling der Aminosäuren des Proteins führt. Die Resistenz gegenüber Umweltbelastungen, die zur Denaturierung führen können, variiert stark zwischen den in der Natur vorkommenden Proteinen. Zum Beispiel sind einige Proteine ​​bemerkenswert resistent gegen hohe Temperaturen; zum Beispiel haben Bakterien, die in heißen Quellen überleben, Proteine, die bei Temperaturen nahe dem Siedepunkt von Wasser funktionieren. Einige Proteine ​​sind in der Lage, der sehr sauren Umgebung des Magens mit niedrigem pH-Wert zu widerstehen. Inzwischen reagieren einige Proteine ​​sehr empfindlich auf organische Lösungsmittel, während andere gefunden werden können, die gegenüber diesen Chemikalien bemerkenswert tolerant sind (letztere werden für die Verwendung in verschiedenen industriellen Prozessen geschätzt).

Während viele Proteine ​​schließlich ihre dreidimensionalen Strukturen vollständig selbst bilden können, erhalten Proteine ​​in vielen Fällen Unterstützung beim Faltungsprozess von Protein-Helfern, die als Anstandsdamen (oder Chaperonine), die sich während des Faltungsprozesses mit ihren Proteinzielen verbinden. Es wird angenommen, dass die Chaperone wirken, indem sie die Aggregation von Polypeptiden zu nicht-funktionellen Formen minimieren – ein Prozess, der durch die Bildung nicht idealer chemischer Assoziationen erfolgen kann.