Transcript Biochemie_Teil_8 - Antiinfectives Intelligence

Biologisch wichtige organische
Verbindungen II
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Proteine
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Peptide, Proteine
• Die Carboxylgruppe einer Aminosäure kann mit einer
Aminogruppe einer Aminosäure unter
Wasserabspaltung reagieren (Kondensation).
• Die Aminosäuren sind durch CarbonsäureamidBindungen zwischen -Carboxy- und -AminoGruppe verknüpft.
• Die Bindung wird als Peptidbindung bezeichnet, in
der alle Atome in einer Ebene liegen, d.h. es
entstehen Kettenmoleküle.
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Peptide, Proteine
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Peptide, Proteine
Angiotensin II
• Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe
• DRVYIHPF
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Peptide, Proteine
Anzahl der
verknüpften
Aminosäuren (AS)
Bezeichnung
Beispiel
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Dipeptid
„Penicillin”
Val-Cys
3
Tripeptid
Glutathion
Glu-Cys-Gly
Bis 10
Oligopeptid
Ocytocin
(Oxytocin)
9 AS
Mehr als 10
Polypeptid
Insulin
51 AS
Mehr als 100
Protein
Hämoglobin
(Makropeptid)
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.
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Struktur der Proteine
1. Primärstruktur:
• Hierunter versteht man die Aminosäuresequenz
-Ala-Gln-Val-Lys-Gly-His-GlyLys-Lys-Val-Ala-Asp-Ala-LeuThr-Asn-Ala-Val-Ala-His-ValAminsäurereste 53-74 der
-Untereinheit des Hämoglobins
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Struktur der Proteine
2. 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.
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Struktur der Proteine
2. Sekundärstruktur:
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Struktur der Proteine
2. Sekundärstruktur:
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Struktur der Proteine
3. Tertiärstruktur:
• Als Tertiärstruktur bezeichnet man die aus
Sekundärstruktur-Elementen und ungeordneten
Bereichen aufgebaute, dreidimensionale Konformation
eines Proteins.
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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.
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Proteine
• Man unterscheidet:
- Strukturproteine
- Lösliche Proteine
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Strukturproteine
• Faserförmige (fibrilläre) Proteine
• Verleihen extrazellulären Strukturen
mechanische Festigkeit
• Sind am Aufbau des Cytoskeletts* beteiligt
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*Das Cytoskelett dient u.a. dazu, die Form der Zellen
aufrecht zu erhalten.
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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 Nterminal 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.
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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.
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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.
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Transspriptionsfaktor
Funktionen der Proteine
DNA
AlkoholDehydrogenase
Strukturbildung
Katalyse
Bewegung
Regulation
Transport
Abwehr
Histone
Glutamin-Synthetase
SomatropinRezeptor
Ionenkanal
Somatropin
Präalbumin
Insulin
CollagenTrippelhelix
Immunglobulin
F-Actin
Hamoglobin
10 nm
Myosin
Zusammengesetzte Proteine
• Mit Zucker - Glycoproteine
• Mit Lipiden - Lipoproteine
• Häm - Hämoglobin
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Glykoproteine
• Proteine an der Oberfläche der Plasmamembran sind
meist, cytoplasmatische Proteine selten glycosyliert.
• Können mehr als 70% Kohlenhydrat enthalten
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Lipoproteine
• Lipoproteine sind
Aggregate aus
Lipiden und
Proteinen (sog.
Apoproteine).
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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.
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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).
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Spezifität der Enzymkatalyse
*
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*Km, Michaelis-Konstante 31
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
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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
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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
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Enzym-katalysierte Reaktion
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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).
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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
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NAD(P)+
Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid
(Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid)
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Nicotinamid-Adenin-DinucleotidPhosphat
(Nicotinsäureamid-Adenin-DinucleotidPhosphat)
L, lösliches Coenzym
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Nucleosidphosphate / Coenzym A
(Wasserlösliche) Vitamine
(Wasserlösliche) Vitamine II