grundlagen der molekularen biophysik ws 2011/12 … · funktion und struktur kovalent z.b....
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Grundlagen der Molekularen Biophysik WS 2011/12
(Bachelor)
Dozent: Prof. Dr. Ulrike Alexiev
(R.1.2.34, Tel. 56100/Sekretariat Frau Endrias Tel. 53337)
Tutoren: Dr. Kristina Kirchberg
Alexander Boreham
6-stündig (2x2-stündige Vorlesung, 1x2-stündige Übung)
Vorlesung: Di, Do 8.30-10 Uhr Beginn: 18.10.11 (FBR Raum)
Übung: Mo 8:30-10 Uhr, 10-12 Uhr
Beginn: 24.10.11 SR E2, FBR Raum
Folgende Folien sind nur zur Verwendung in der Vorlesung und nicht für
Veröffentlichung und Weiterverbreitung
Stabilisierende Kräfte in Makromolekülen
+ Disulfid-Brücken
•Die Wasserstoffbrücke in Proteinen
•Stabilisierendes Element für Sekundärstruktur
Ist eine spezielle Art von Dipol-Dipol-Wechselwirkung (elektrostatisch)
Die Annäherung der beiden Dipole kann auf sehr kleine Entfernungen erfolgen (0.26-0.31nm),
und teilweise sogar Van-der-Waals-Radien unterschreiten kovalente Beiträge
Bindungsenergie: 1 to 40 kcal/mol und ist abhängig vom Bindungsabstand
Bindungsenergien sind nicht nur elektrostatisch zu erklären, quantenmechanische Aspekte
müssen berücksichtigt werden.
Schwache Bindung, kann durch thermische Stöße im biol. Temperaturbereich zerstört werden.
Wasser als Konkurrenz zu Wasserstoffbrücken im Protein
• Wasserstoff-Brücken
• Hydrophobe Kräfte
• Hydratationskräfte
Hydrophob = wasserabstoßend
Hydratation = Anlagerung von Wassermolekülen
freies Wasser:
Ausbildung einer H-Brücke: DH
Konfigurations-Freiheitsgrade: DS
STHG DDD
H-Brücken vom hydrophoben
Bereich weggerichtet:
Zunahme der Ausrichtung: DS
DG, günstig
DG, ungünstig
unpolar
unpolar
Was passiert,
wenn unpolare/amphiphile Moleküle in Wasser gelöst werden?
hydrophober Effekt, Entropieeffekt
Beispiel: hydrophobe Aminosäureseitenketten eines Proteins
(Gibbs-Helmholtz-Gleichung)
DG, günstig
Die Zusammenlagerung der hydrophoben Ketten bewirkt eine Entropiezunahme,
da die Kontaktfläche zwischen Wasser und unpolaren Grenzflächen verringert wird.
DS
Hydropathie-Index (Kyte and Doolittle, JMB 157, 110, 1982)
-0.4
-0.8
1.8
4.2
3.8 4.5
2.5
-0.7
1.9 2.8
-1.3
-0.9
-3.9
-3.2
-4.5 -3.5
-3.5
-3.5 -3.5
-1.6
Hydropathy plot for glycophorin A. a single membrane-spanning protein.
Hydrophathicitv is measured by the free energy required to transfer each segment of the polypeptide
from a nonpolar solvent to an aqueous medium. Values above the 0 line are energy requiring (+DG),
indicating they consist of stretches of amino acids that have predominantly nonpolar side chains.
Peaks that project above the red-colored line are interpreted as a transmembrane domain.
Hydrophobe Kräfte
verantwortlich für das Zusammenbringen von unpolaren Gruppen in
wässriger Umgebung
resultiert aus der Vermeidung von thermodynamisch ungünstigen
Interaktionen von unpolaren Gruppen mit Wasser (Entropieeffekt)
treibende Kraft bei der Bildung von Lipidmembranen und beitragende
Kraft zur Stabilisierung von Proteinen.
polar
unpolar
Was passiert,
wenn unpolare/amphiphile Moleküle in Wasser gelöst werden?
Mizelle Protein
Wassermoleküle lagern unter der Bildung von Hydraten an dispergierte
oder gelöste Ionen, Atome, Moleküle oder Kolloide an.
Beispiel: NaCl
Was passiert, wenn polare Teilchen in Wasser gelöst werden?
Welche Kräfte führen zur Ausbildung einer Hydrathülle?
Ion-Dipol-Wechselwirkung (elektrostatische Wechselwirkung)
Der Dipol richtet sich im elektrischen Feld des Ions aus.
lqp
Was passiert, wenn polare Teilchen in Wasser gelöst werden?
Die Fähigkeit zur Hydratisierung ist eine wichtige Eigenschaft von Wasser, die
auf seinen Dipolcharakter zurückzuführen ist.
(-)
O
H H (+)
d- d+ d+
Wasser vermindert die Stärke von elektrostatischen Wechselwirkungen
zwischen Ionen gegenüber dem Zustand im Vakuum um den Faktor 80.
D.h. die Hydrathülle hält Ionen in Lösung. Gilt auch für polare bzw.
geladene Moleküle wie Proteine.
Elektrostatische Wechselwirkung und Hydrathülle
Hydrathülle eines Proteins: ca. 1.2Å dick
Lokale Dichte des Wassers ca. 10% höher als im freien Wasser
Bestimmung mittels hydrodynamischer Parameter (klassisch),
neue Methoden auf Einzelmolkül Basis, Röntgen-und
Neutronenstreuungsmethoden
Biophys Chem. 2001 Nov 28;93(2-3):171-9.
A unified picture of protein hydration: prediction of hydrodynamic properties
from known structures.
Zhou HX.
Biophys Chem. 2001 Nov 28;93(2-3):129-39.
X-ray and neutron scattering analyses of hydration shells: a molecular
interpretation based on sequence predictions and modelling fits.
Perkins SJ.
Nucleinsäuren (DNA/RNA):
Haben eine netto negative Ladung in wässriger Umgebung
Stärkere Hydratisierung als Proteine (0.60.2 g/g vs. 0.3-0.4 g/g)
Glykosilierte Proteine und Polysaccharide: ~0.5 g/g
d.h. höhere Affinität für Wasser
Wenn Ionen hydratisiert sind– wie passen sie durch einen Ionenkanal in
der Membran, Frage nach Selektivität?
Vergleich Natrium und Kalium:
Na+ ist kleiner, aber beide haben gleiche Ladung (K+)
Konsequenz: unterschiedliche Oberflächenladungsdichte
d.h. welches Ion hat eine grössere Oberflächenladungsdichte?
Wenn Ionen hydratisiert sind– wie passen sie durch einen Ionenkanal in
der Membran, Frage nach Selektivität und Stabilität?
Vergleich Natrium und Kalium:
Na+ ist kleiner, aber beide haben gleiche Ladung (K+)
Konsequenz: unterschiedliche Oberflächenladungsdichte
d.h. welches Ion hat eine grössere Oberflächenladungsdichte? Na+
Dadurch auch mehr „gebundenes Wasser“ d.h. grössere Hydrathülle
Na+: 4.5 im Mittel
K+: 2.9 im Mittel
Kaliumkanal
Hydratisierungskräfte
sind elektrostatischer Natur
gehen auf den elektrischen Dipolcharakter des Wassers zurück.
Ionen-Dipol-Wechselwirkung ist für die Ausbildung der ersten Schicht
verantwortlich
Die Hydrathülle schwächt die gegenseitige Anziehung von Ionen bzw.
polaren und geladenen Molekülen und hält sie in Lösung.
Die Hydrathülle führt zu einem größerer effektiver Radius
(Einfluss auf Diffusion, Transport von Ionen durch Ionenkanäle und Poren).
Hydratation hat Einfluss auf Dynamik und Funktion von Biomolekülen.
Zusammenfassung
Hydrophobe Kräfte
verantwortlich für das Zusammenbringen von unpolaren Gruppen in
wässriger Umgebung aufgrund des Entropiegewinns und einer entsprech-
enden Minimierung der freien Energie des Systems.
„Entropie Effekt“
treibende Kraft bei der Bildung von Lipidmembranen und beitragende
Kraft zur Stabilisierung von Proteinen
(Energie: ~4 kJ/mol entspricht ca. 2x RT @300K)
Hydratisierungskräfte
beruhen auf Ion-Dipol-Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen
und polaren bzw. geladenen Molekülen oder Teilchen.
„Elektrostatischer Effekt“
verantwortlich für die Löslichkeit von Ionen und vielen Proteinen.
beitragende Kraft zur Proteinstabilität.
7. VORLESUNG
Kofaktoren bringen Farbe ins Leben I
• Kofaktorentypen in der Übersicht
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Kovalent
Bakteriorhodopsin
Rhodopsin
C-term
C316
F313
Y306
P303 N302
N55
D83 S299
S298
K296
E113
E181
Ret
W126
H211
E122
Y136
T251
E247
E134
R135
H8
1
2
3
4 5
6
7
hn
Retinal ist als Kofaktor kovalent über eine protonierte Schiffsche base an ein
Lysin Rest des Opsins gebunden
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Kovalent
z.B.
Bakteriorhodopsin
Rhodopsin
Nicht-Kovalent
z.B.
Chlorophyll
Photosynthese
Chlorophylle sind nicht-kovalent in großen Proteinkomplexen gebunden
Struktur des Antennenkomplex LH2 eines
Purpurbakteriums. Die BChl sind gelb
(B800) und orange (B850) gezeichnet.
Zur besseren Übersichtlichkeit wurden
die Phytylschwänze nicht gezeichnet und
die Proteinumgebung transparent
dargestellt. Die Magnesiumatome im
Zentrum der BChl sind als Kugeln
dargestellt.
Was sind Kofaktoren?
Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)
oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.
Warum sind sie notwendig?
Funktion und Struktur
Kovalent
z.B.
Bakteriorhodopsin
Rhodopsin
Nicht-Kovalent
z.B.
Chlorophyll
Komplexbildung
z.B.
Fe-S-Cluster
Fe-S-Cluster
Rieske protein is a iron-sulfur protein (ISP) component of cytochrome bc1
complex and the cytochrome b6f complex which was first discovered and isolated
by John S. Rieske and co-workers in 1964. It is a unique [2Fe-2S] cluster in that
one of the two Fe atoms is coordinated by two histidine residues rather than two
cysteine residues.
1bcc
Kofaktoren im Überblick
I. Pigment, Chromophore
II. Redoxfaktoren,
Elektronentransport
III. Katalysatorfunktion,
Substrataktivierung
IV. Reine Strukturfunktion
Metallfreie Pigmente
(Carotinoide, Retinale, Phycocyanin etc)
Metall-organische Pigmente
(Hämgruppe, Chlorophylle, etc)
Organische Redox-Moleküle
(NAD, Chinon, Flavin, Ascorbinsäure, etc)
Redox-aktive Metall-Komplexe
(Fe-S Cluster, blaue Cu-Zentren, etc)
Redox-inaktive Metall-Komplexe
(Ca-Zentren, Zn-Zentren etc)
Alkohol-Dehydrogenase (ADH)
Alkohol-Dehydrogenase (ADH)
Bacteriorhodopsin (bR)
Cytochrom C oxidase (COX)
pp* Übergänge
meistens stark
absorbierend
d-d Übergänge
schwach
absorbierend
Lig-Me-charge
transfer mittel bis
stark
absorbierend
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