Proteine: Struktur, Funktion und Engineering

1. Reaktionskatalyse, z.B Enzyme
2. Bindung z.B Antikörper
3. Stofftransport z.B Hämoglobin
4. Abwehr z.B Immunglobuline
5. Speicherung z.B Casein
6. Regulation z.B Hormone

Für das Gedankenexperiment treffen wir eine Reihe von Annahmen die die optimale und damit maximale Entstehung von Proteinen ermöglichen. Wir gehen davon aus das Leben vor 4*10^9 Jahren auf der Erde begonnen hat. Weiterhin gehen wir von 1,2*10^18 m^3 Volumen an Ozean auf der damaligen Erde aus. Dies entspricht in etwa der heutigen Ozeangröße wobei von einer durchschnittlichen Tiefe von 4km ausgegangen wird. Nun nehmen wir an das sich in diesem Ozean eine dichte kultur (Zellpaste) von E.coli befindet welche mit dem Bakteriophagen M13 infiziert werden. Diese Phagen besitzen eine maximale Replikationsrate von 3 Generationen pro Stunde, dabei gehen wir von einer unntatürliche hohen Mutationsfrequenz  aus, bei der jeder Phage für ein neues Protein kodiert. Unter diesen Annahmen erhält man dann 10^55 Proteine als oberen Wert unter optimalen Bedingungen.

Für ein kleines globuläres Protein von 100 AS gibt es jedoch für jeder der 100 Stellen 20 Möglichkeiten also insgesamt 20^100 also ungefähr 10^130 Möglichkeiten. D.h es wurden 10^130 - 10^55 = 10^130 Proteine niemals in der Natur synthetisiert. Es hätte maximal ein Sequenzabschnitt von 55:1,3  also ca. 42 AS optimiert werden können.

Mit ca. 2000

Primärstruktur

Eine kovalente Struktue, welche sich rein aus der Aminosäuresequenz. Hinzu kommen potentiell postranslationale Modifikationen (unter anderem auch Glykolisierung) und Disulfidbrücken. Einige Proteine enthalten zusätzlich zu den Aminsäuren noch eine chemische Komponente. Diese bezeichnet man als konjugierte Proteine. Der Teil des Proteins der nicht aus Aminosäuren besteht wird als prosthetische Gruppe bezeichnet.

Sekundärstruktur

Lokale Konformation des Rückgrats v.a. alpha Helix, beta Faltblatt und Turns

Tertiärstruktur

vollständige Raumstruktur eines Polypeptids. Ein Beispiel hierfür ist eine Domäne, also eine klar umrissene stabil gefaltete Struktureinheit., z.B Zinkfinger Domäne ist der der aktive Teil in den Zinkfingerproteasen der die DNA bindet.

Quartärstruktur

Räumliche Anordnungen von Untereinheiten bei oligomeren Proteinen, z.B Hämoglobin, besteht aus 4UE. Allosterie ist die räumliche Änderung der Konformation der Struktur eines Moleküls unter dem Einfluss sich anlagernder niedermolekularer Verbindungen. Unter anderem wird auch der Wechsel des Hämoglobins von T zur R Form als Allosterie bezeichnet, damit gehört dieser Begrifff zur Quartärstruktur.

Polypeptid: längere Kette, definierteSequenz, keine Faltung

Protein: gefaltetes Polypeptid mit definierter 3D Struktur und biochemische Funktion

Stereochemische Besonderheit bei einer der Aminosäuren sowie eigentlich korrekte Substanzklasse einer anderen:

• Glycin ist nicht chiral, Isoleucin hat ein zweites Chiralitätszentrum 
• Prolin: Iminosäure (Pyrrolidinring)