Teil 6

Question 1

Was sind Protein Domänen? Aus wie vielen AS bestehen Protein Domänen normalerweise? Warum bestehen sie nicht aus weniger und warum nicht aus mehr AS

Answer 1

• Protein Domänen sind der Teil einer Polypeptidkette, die einzeln stabil sind bzw. einzeln Proteinbewegungen durchführen können. (d.h. wenn sie voneinander getrennt werden, behält eine Domäne immer noch ihre 3D-Faltung und ihre Funktion)
• Eine Domäne ist eine globuläre Einheit, die sich eigenständig faltet und einen eigenen hydrophoben Kern besitzt
• bestehen aus ~50 bist zu 200-300 AS
• weniger als 500 sehr selten, da dann stabile Faltung kaum möglich ist
• mehr als 300 AS sehr selten, da dann korrekte Faltung zunehmend schwieriger wird

Question 2

Was sind oligomere Proteine? Was werden als die Untereinheiten bezeichnet? Was versteht man unter einem Homooligomer und einem Heterooligomer?

Answer 2

• Oligomere = Proteine mit mehr als einer Polypeptidkette
• UE = Peptidkette
• Homooligomer: Alle UE besitzen dieselbe Sequenz
• Heterooligomer: mind. 1 UE hat eine andere Sequenz

Question 3

Was ist die Quartärstruktur?

Answer 3

• definiert die Konformation eines multimeren Proteins
• beschreibt die Anzahl (Stöchiometrie) und die relative Anordnung (Position) der Untereinheiten in einem multimeren Protein und wie diese miteinander interagieren

Question 4

Was ist ein Protomer? Wie können Untereinheiten in der Quartärstruktur angeordnet sein? Beschreibe die Anordnungen!

Answer 4

• Ein Protomer ist eine sich wiederholende Struktureinheit (egal ob es sich dabei um einzelne UE oder um einen Gruppe von UE handelt) in einem oligomeren Protein.
• Untereinheiten sind immer symmetrisch angeordnet
• Helikale Symmetrie: offene Struktur, UEs spiralförmig angeordnet
• Rotationssymmetrie: UEs so um Drehachse angeordnet, dass geschlossene Strukturen bilden
• Rotationssymmetrie kann zyklisch (Drehung um 1 Achse) oder diedrisch (2 sich im rechten Winkel schneidende Achsen) sein

Question 5

Warum gibt es Quartärstrukturen?

Answer 5

• Einige Proteine erst nach Assoziation zu Oligomeren stabil (z.B. wegen Begraben hydrophober Bereiche an den Grenzflächen zwischen den UEs)
• Funktion erfordert oft häufig Assoziation zu Oligomeren
• Möglichkeit der Kommunikation - Kooperativität von UEs (z.B. Hämoglobin)

Question 6

Zum Erzielen der gewünschten Funktion benötigen Proteine gewisse Größe. Durch welche Faktoren wird die Größe limitiert? Was ist der Limit der Proteingröße?

Answer 6

• Genetische Kodierungskapazität von Nukleinsäuren: Größe des genetischen Materials von Viren ist limitiert; die Hülle von Viren besteht daher hauptsächlich aus multiplen Kopien einer Untereinheit oder eines Protomers; benötigt zum Kodieren wenig Platz
  Gleiche Argumente gelten auch für viele Strukturproteine der Zelle/des Organismus wie z.B. jene des Zytoskeletts
• Die Genauigkeit der Proteinbiosynthese: Herstellung sehr großer Proteine ist wegen Ungenauigkeit der Translation (ca. 1 Fehler pro 10,000 Aminosäurereste) fehleranfälliger als Produktion mehrerer kleinerer Proteine
• Limit der Proteingröße: meisten kleiner als 100.000 Daltons

Question 7

Welche Wechselwirkungen stabilisieren die Quartärstruktur?

Answer 7

• dieselben WW wie für Tertiärstruktur
• hydrophobe WW
• Van der Waals WW
• Ionenbindungen
• Wasserstoffbrückenbindungen
• Disulfidbrücken

Question 8

Wa geschieht bei der Denaturierung von Proteinen?

Answer 8

• es kommt zum Verlust der nativen Form des Proteins
• bewirkt durch die Entfaltung der Polypeptidketten und/oder Abdissoziation der UEs von oligomeren Proteinen
• Nicht kovalente Interaktionen (mit evtl. Ausnahme von S-S Brücken) werden aufgebrochen

Question 9

Nenne Methoden zur Denaturierung von Proteinen und beschreibe deren Auswirkungen!

Answer 9

• Erhöhung der Temperatur (= Hitzedenaturierung): öffnet H-Brückenbindungen und den hydrophoben Kern
• Erhöhung des Drucks: presst H2O in hydrophoben Kern
• Zugabe starker Säuren oder Basen: alle basische bzw. saure Gruppen im Protein - auch der Hauptkette - werden gleichsinnig geladen und stoßen einander elektrostatisch ab
• Zugabe organischer Lösungsmittel: solvatisieren den hydrophoben Kern
• Zugabe von “starken” Detergentien: sind amphipathisch; zerstören hydrophoben
  Kern
• Zugabe von chaotrope Agentien wie Harnstoff oder Guanidiniumhydrochlorid: Zerstören H-Bindungen im Wasser –> hydrophober Effekt gestört; solvatisieren den hydrophoben Kern und polare Gruppen –> entfalten Protein bei hoher Konzentration komplett

Question 10

Welche 2 Arten der Denaturierung gibt es und wodurch unterscheiden sie sich?

Answer 10

• Reversible Denaturierung: Hier ist die Denaturierung völlig umkehrbar (v.a. bei kleinen Proteinen)
• Irreversible Denaturierung: Entfaltete Proteinketten falten sich nach Entfernung des Denaturans nicht mehr in die native Form zurück, sondern interagieren miteinander. Endresultat ist ein unlösliches Präzipitat (=Niederschlag)

Question 11

Was sagt T_m bei der Denaturierung von Proteinen aus? Wie wird sie ermittelt?

Answer 11

• ist für jedes Protein eine charakteristische Größe
• T_m = Temperatur, wo 50% gefaltetes und 50% ungefaltetes Protein vorliegen ( “Schmelztemperatur” des Proteins)
• Bezeichnung T_m wird nicht nur bei Hitze-Denaturierungen verwendet, sondern auch für chemische etc. Denaturierungen
• wird mittels Zirkulardichroismus-Spektrometrie ermittelt

Question 12

Wozu studiert man die Proteinfaltung?

Answer 12

• Ermöglicht besseren Einblick in die Interaktion und Funktion von Proteinen (z.B. n der Biotechnologie notwendig für gezieltes „Genetic Engineering“ von Enzymen und Polypeptide Drugs)
• Eine zunehmende Zahl an Erkrankungen wie Alzheimer & Creutzfeldt-Jakob und sogar bestimmte Krebsarten sind das Resultat fehlgefalteter Proteine
• Verbesserung der Algorithmen für die Vorhersage von 3D Strukturen aus der Primärstruktur zur Interpretation von Genomsequenzen
  prion protein

Question 13

Was zeigte das Afinsen’sche Experiment?

Answer 13

• Proteine können unter physiologischen Bedingungen spontan (d.h. von alleine) die native Konformation auffinden –> Die gesamte Information für die korrekte Faltung des Proteins bzw. für dessen Tertiärstruktur ist schon in der Primärstruktur enthalten (codiert)!
• Anfinsen hat postuliert, dass
• sich gefalteter und ungefalteter Zustand in einem thermodynamischen Gleichgewicht befinden
• nativer, gefalteter Zustand (Konformation) eines Proteins unter den vorgegebenen Bedingungen einem globalen Minimum der freien (Gibb‘schen) Enthalpie G entspricht, d.h. die energetisch stabilste aller möglichen Konformationen ist
• die Proteinfaltung somit unter thermodynamischer und nicht kinetischer Kontrolle ist (d.h., es ist nicht jene Form die native, die bei Faltung am schnellsten erreicht wird!)