Was hat die von Linus Pauling und Robert B. Corey durchgeführte Röntgenstrukturanalyse von Kristallen kleiner Peptide gezeigt? Wie ließen sich die erzielten Ergebnisse interpretieren? Wie bezeichnet man diese Struktur?
Beobachtungen:
* Peptidbindung ist starr und planar
- C=O Bindung ist länger als jene von gewöhnlichen Aldehyden und Ketonen
- die C-N Bindung ist kürzer als eine normale C-N Bindung, aber länger als eine C=N Doppelbindung
Interpretation:
* Geometrie weist stark darauf hin, dass das N-Atom der C-N Bindung sp2 hybridisiert ist und dass das freie Elektronenpaar des Stickstoff zum Carbonylsauerstoff delokalisiert. Somit ist die tatsächliche Struktur ein Resonanzhybrid von 2 mesomeren Grenzstrukturen. Die C-N Bindung besitzt dadurch etwa 40% Doppelbindungscharakter
* Wegen partiellen Doppelbindungscharakter sitzen die 6 Atome der Peptidbindung in einer Ebene (sind coplanar) und die frei Drehbarkeit der C-N Bindung geht verloren
In welcher geometrischen Konfiguration kommen Peptidbindungen am meisten vor? Welche Ausnahme gibt es? Was ist der Grund für die Annahme einer solchen Konfiguration?
- Anordnung der Seitenreste und der flankierenden C-alpha-Atome um Peptidbindung ist nahezu immer trans
- Ausnahme: für Prolin als nachfolgender Rest ist cis-Konfiguration ebenfalls möglich (Verhältnis Trans:cis = 5:1), Trans-Konfiguration nur geringfügig bevorzugt gegenüber cis-Konfiguration
- Grund: sterische Hinderung (Überlappung der Van der Waals Radien) - Trans-Konfiguration ist wegen geringerer sterischer Hinderung stabiler als cis-Konfiguration
Was versteht man unter dem Van der Waals Radius? Was passiert bei der Annäherung von zwei äquivalenten Atomen
- ist definiert als die Hälfte des Abstandes zwischen den Kernen zweier äquivalenter Atome oder Gruppen, wenn sich diese am Energieminimum befinden
- Anziehung steigt bis zum Van der Waals Abstand
- Bei Annäherung über den Van der Waals Abstand –> Potentielle Energie sehr hoch aufgrund von Abstoßung
- Bei Entfernung von Atomen –> potentielle Energie sinkt
Konformation der Polypeptidkette: Durch welche Angaben kann die molekulare Geometrie von Proteinen beschrieben werden?
- Bindungslänge
- Bindungswinkel
- Diederwinkel = Torsionswinkel
Welche Diederwinkel bestimmen maßgeblich die Backbone-Konformation der Polypeptidkette?
- Diederwinkel ω um CO-NH nicht drehbare, planare Peptidbindung: bei cis-Konformation ω=0°, bei trans-Konformation ω=180°
- rotierbar: N-C⍺ Bindung –> Diederwinkel ɸ (phi)
- rotierbar: C⍺-CarbonylC Bindung –> Diederwinkel ψ (psi)
Generell werden nur 10% der möglichen {ɸ, ψ} Kombinationen in Proteinen aufgefunden - Warum?
Nicht alle ɸ/ψ Diederwinkel sind energetisch möglich, da es bei vielen Kombinationen der Rotationswinkeln ɸ und ψ zur Überlappung der van der Waals Sphären von Haupt- als auch Seitenkettenatomen kommt –> sterische Hinderung
Somit sind nur bestimmte, durch Drehung um die Molekülachsen N-Cα und Cα-CO erhältliche Anordnungen aus räumlichen Gründen erlaubt!
Was wird durch das Ramachandran-Diagramm beschrieben? Auf welchen Annahmen basiert das Ramachandran-Diagramm und wodurch wird es beeinflusst?
- Es beschreibt die erlaubten ɸ/ ψ Winkel für individuelle Aminosäuren in einer Polypetidkette (weiße Bereiche = verbotene Bereiche, dunkle Bereiche = keine sterische Hinderung)
- Annahmen: starre Peptidbindung und hartes Kugelmodell (keine Durchdringung der Elektronenwolke von Atomen, wenn der Abstand der Schwerpunkte kleiner ist als die Summe der van der Waals Radien)
- beeinflusst wird sie von der steirischen Hinderung zwischen Haupt- und Seitenkettenatomen
Was beschreit die Sekundärstruktur und welchen Kriterien unterliegt sie?
- lokale Faltung der Hauptkette des Proteins und bezieht sich vor allem auf AS, die in Sequenz nahe beisammen sind
Kriterien:
- Die Konformation, d.h. die beiden Diederwinkel ɸ und ψ müssen in Sekundärstrukturelementen in einem der erlaubten Bereiche des Ramachandran-Diagrammes liegen
- H-Brückenbindungs-Donatoren und -Akzeptoren der Hauptpeptidkette sollen möglichst vollständig abgesättigt sein –> zur energetischen Stabilisierung der Sekundärstruktur
Beschreibe 3 Klassen von Sekundärstrukturelementen (SSE) und nenne jeweils deren Vertreter!
- Reguläre SSE mit sich entlang der Hauptkette periodisch (regelmäßig) wiederholenden Wertepaaren ɸ und ψ. Wichtige Vertreter: ⍺-Helix (rechtsgängig), β-Faltblatt (antiparallel) und β-Faltblatt (parallel)
- Bestimmte häufig auftretende irreguläre (nicht periodische) Strukturen mit charakteristischen ɸ, ψ Paaren. Vertreter: β-Turns, bestimmte Loops
- Gelegentlich werden auch ungeordnete Bereiche mit beliebigen ɸ, ψ Werten dazugezählt. Die meisten großen Loops und Random Coil Regionen
Nenne Eigenschaften der ⍺-Helix (8 Punkte)
- Durch schraubiges Aufwinden der Polypeptidkette mit fixierten Werten von ɸ = -57° und ψ = -47° wird die Voraussetzung einer maximalen Anzahl an H-Brückenbindungen innerhalb dieses gewundenen Bereiches erfüllt (außer an den Enden)
- Ganghöhe (Anstieg/Umdrehung): 5,4 Å
- 3, 6 Reste per Umdrehung (= 360°)
- Anstieg per Rest: 1,5 Å
- Sauerstoff der C=O Gruppe des i-ten Aminosäurerest geht die Kette hinaufgehend mit dem Amid-Proton des (i+4)ten Aminosäurerests eine H-Brückebindung ein
- praktisch nur rechtsgängig in der Natur
- bildet ein Makrodipol: N-Terminus besitzt positiven Ladungsschwerpunkt, C-Terminus besitzt negativen Ladungsschwerpunkt
- Seitenketten zeigen nach außen
Welche AS destabilisieren die ⍺-Helix und warum?
- Glycin: wegen geringer sterischer Hinderung durch kleinen Rest (-H) sind für Glycin mehr ɸ, ψ Winkelpaare erlaubt als für alle anderen AS. Einfrieren in das einzige ɸ, ψ Winkelpaar (ɸ = -57° und ψ = -47°.) der ⍺-Helix ist daher für Glycin eitropisch besonders ungünstig.
- Prolin: Seitenrest ist ein starrer 5-er Ring, dessen Winkel ɸ nicht dem optimalen Winkel von -57° für ⍺-Helix entspricht. Außerdem ist Prolin eine Iminosäure, d.h. das N trägt kein positiv polarisiertes H-Atom, weshalb Prolin keine stabilisierende H-Brücke zur C=O Gruppe der 4. nächsten AS ausbilden kann.
Warum ist die ⍺-Helix ein Makrodipol?
n der ⍺-Helix sind alle H-Brückenbindungen und damit Peptidbindungen in derselben Richtung orientiert. Die Dipole der einzelnen Peptidbindungen addieren sich. Dadurch erhält die Helix ein merkliches Dipolmoment mit dem positiven Ladungsschwerpunkt beim N- Terminus und dem negativen am C- Terminus (z.T. wichtig für Katalyse durch Enzyme)
Welche anderen Polypetid -Helices gibt es noch außer die ⍺-Helix? Nenne deren Eigenschaften
- 3_10-Helix:
- 3 Reste pro Umdrehung, p (Ganghöhe) = 6 Å (steiler als ⍺-Helix, p = 5,4Å)
- H-Brücken zwischen i-ten und (i+3)ten AS
- meist nur eine Windung am N- oder C-Terminus
- π-Helix
- 4,4 Reste pro Umdrehung, p = 4,7 Å => dicker und flacher als ⍺-Helix
- H-Brücken zwischen i-ten und (i+5)ten AS
- noch seltener
Wie berechnet man die Ganghöhe p?
- p = pitch
- Reste per Umdrehung x Anstieg pro Rest
Woraus bestehen ß-Faltblattstrukturen? Wie können sie aussehen und welche Bindungen sind Charakteristisch für ß-Faltblattstrukturen? Warum kommt es zu einer Faltung? Wo befinden sich die Seitenketten?
- bestehen aus benachbarten β-Strängen = fast vollständig gestreckten Polypeptidketten
- Aussehen: parallele oder antiparallele β-Faltblätter
- charakteristische Bindung: H-Brückenbindung zwischen CO und NH zwischen den benachbarten β-Strängen
- Es kommt zu einer Faltung weil β-Stränge allein instabil sind, da keine Interaktionen zwischen den Atomen herrscht und das β-Faltblatt das volle Ausschöpfen des H-Brückenpotentials der Hauptkettenatome ermöglicht.
- Die Seitenketten befinden sich alternierend oberhalb und unterhalb der Ebene des β-sheets
Wo befinden sich die Seitenketten beim β-Faltblatt? Welchen Turn nimmt das β-Faltblatt ein?
- Die Seitenketten befinden sich alternierend oberhalb und unterhalb der Ebene des β-sheets
- ist immer linksgängig
Was sind Loops? Zu welcher Klasse Sekundärstrukturelementen gehören sie? Was ist deren Eigenschaft?
- sind irreguläre (nicht periodische) SSE variabler Größe
- ermöglichen der Peptidkette, die Orientierung zu ändern - ohne Loops gäbe es keine globulären Proteine
- oft an Oberfläche des Proteins, wo sie häufig an Bindung von Liganden oder Assoziation mit anderen Proteinen beteiligt sind
Was sind Turns? Zu welcher Klasse Sekundärstrukturelementen gehören sie?
- Kurze, in Protein anzutreffenden Schleifen
- gehören zu den irregulären (nicht periodischen) SSE
- ermöglichen Richtungsänderung der Hauptkette um 180°
Welche Klassen von Turns gibt es? Wonach werden sie klassifiziert?
- nach Anzahl der AS
- ⍺ –> 5 AS
- β –> 4 AS
- ɣ –> 3 AS
- 𝛿 –> 2 AS
- π –> 6 AS
Welche AS sind oft in β-Turns vertreten und warum?
- Konformation von cis-Prolin optimal für Einbau in β-Turns geeignet (natürlicher Hauptknick in Hauptkette)
- Glycin hat geringe sterische Hinderungen, kann für Einbau in enge Loops φ und ψ Werte-Kombinationen einnehmen, die für andere Aminosäuren nicht möglich sind!
