Molekulare Zellbiologie I (Schuler)

· Abschnitte regelmässiger Faltung (z.B. α-Helix und β-Faltblatt)

· Stabilisation durch H-Brücken zwischen Amid- und Carbonylgruppen der Hauptkette / Hydrophober Effekt / evt. Disulfidbrücken

· zu 80% aus der AS-Sequenz vorhersagbar (Schwierigkeiten durch AS, die sterische Konflikte verursachen)

· Räumliche Gesamtstruktur einer einzelnen Peptidkette

· Stabilisation durch H-Brücken / Hydrophober Effekt / andere elektrostatische WW / evt. Disulfidbrücken (v.a. in extrazellulären Proteinen)

· Faltung ist meistens aperiodisch → keine Symmetrie

· Globuläre Proteine sind im Innern meistens apolar und aussen polar

· sehr lange Polypeptidketten bilden oft Domänen (kompakte Bereiche der Tertiärstruktur, die über "Linker" verbunden sind / enthalten typischerweise 100-150 AS / Gliederung in Domänen ist oft schon im Intron-Exon-Muster der DNA enthalten)

· Spontane Assoziation von zwei oder mehr gefalteten Polypeptidketten zu einer oligomeren Struktur

· Stabilisation v.a. durch hydrophoben Effekt (aber auch H-Brücken, andere elektrostatische WW / Disulfidbrücken)

· Zwei Arten:

  · Globuläre Proteine (meist wasserlöslich / oligomere oder "geschlossene" Aggregate / wenige Untereinheiten)

  · Fibrilläre Proteine (oft wasserunlöslich / polymere oder "offene" Aggregate → dynamische Längenänderung durch Binden und Dissoziieren von neuen Untereinheiten)

Sekundärstruktur wird beeinflusst durch die drei Eigenschaften der Peptidbindung

· planare Bindung

· Mesomerie-stabilisiert → O-Atom wird zum Protonenakzeptor / N-Atom wird zum Protonen-Donator

  → H-Brücken zwischen Peptidbindungen

· Dihedralwinkel Φ und ψ werden optimiert

AS sind meistens "trans" verknüpft / Ausnahme: Prolin

· schraubenartig (helical) rechtshändig

· Stabilisiert durch H-Brücken

· AS-Reste bilden im Innern der Helix je zwei H-Brücken (parallel zur Helixachse / zwischen CO der AS n und NH der AS n+4)

· starre Ebene der Peptidbindung sind parallel zur Helixachse → Eckige Struktur mit Cα-Atomen in den Ecken

· 3.6 AS-Reste pro Umdrehung / Ganghöhe 5.4 Å

· Seitenketten sind radial nach aussen orientiert → amphiphile Helix hat hydrophile und hydrophobe Seite

· Prolin und Glycin sind typische "Helixbrecher" und liegen häufig am Ende eines helikalen Abschnitts

· gebildet durch parallel- oder antiparallel-verlaufende Abschnitte der Peptidkette

· H-Brücken zwischen CO der AS n und NH der AS n+x (x ist variabel) / jeder AS-Rest im Innern bildet 2 H-Brücken

· H-Brücken stehen senkrecht zur Kettenrichtung / H-Brücken bestimmen den Abstand von 4.7 Å

· Amidgruppen (Peptidbindungen) bilden das Faltblatt (Abstand zwischen zwei AS beträgt 3.5 Å)

· Seitenketten befinden sich alternierend über und unter der Faltblattebene

· Das Faltblatt ist in der Regel etwas verdreht und bildet eine gekrümmte Ebene

· verbinden oft Stränge des β-Faltblatts

· H-Brücke zwischen CO der AS n und NH der AS n+3

· Prolin (starrer, günstiger Winkel) und Glycin (sehr beweglich) erleichtern die Richtungsumkehr

· Zusammenlagern von α-Helices und β-Faltblättern

· Beispiel: Tripelhelix (kommt nur im Kollagen vor)

· Beispiel: Coiled Coil («Doppelwendel» aus zwei Helices / Vorkommen in Keratin / Muskelproteinen und DNA-bindende Proteine)

· Sauerstoff-Speicherprotein

· besteht zu 75% aus α-Helices

· Fibrilläres Strukturprotein

· Vorkommen als Intermediärfilamente im Zytoskelett / Bestandteile von Haaren und Horn

· Grundeinheit ist ein kleines Coiled-Coil-Dimer mit globulärer Kopfdomäne

· Es gibt keine Kristallstruktur von Keratin

· Flexibilität und Fähigkeit zur Formveränderung

· Komplementarität ↔︎ Spezifität:

  · Kooperativität vieler schwacher WW ermöglichen starke Bindung

· Flexibilität ↔︎ Funktion:

  · Moleküldynamik = permanente Fluktuationen um Durchschnittsstruktur (~Kristallstruktur)

  · Konformationsänderung = Übergang von einer definierten (aber dynamischen!) Raumstruktur in eine andere

· drastische Formänderungen durch äussere Einflüsse führen zum Verlust der biologischen Aktivität

· Primärstruktur bleibt aber erhalten

· Denaturierung kann bewirkt werden durch:

  · Hohe Temperatur

  · Detergentien (z.B. Seifen, Dodecylsulfat)

  · Organische Lösungsmittel (z.B. Ethanol, Aceton)

  · Starke Säuren und Basen (z.B. Perchloressigsäure)

  · Harnstoff oder Guanidiniumsalze in hoher Konzentration

· viele Konformationen, wenig geordnete Strukturen vs. klar definierte räumliche Struktur

· biologisch inaktiv vs. biologisch aktiv

· schlecht wasserlöslich (exponierte hydrophobe Gruppen führen zu Aggregaten) vs. gut wasserlöslich

· leicht spaltbar durch Proteasen vs. oft resistent gegen die Einwirkung von Proteasen

· ist möglich, v. a. bei kleinen Proteinen

· nur unter bestimmten Bedingungen (z.B. mit Harnstoff / Guanidiumsalzen / langsamem Erwärmen)

· die native Struktur bildet sich unter geeigneten Bedingungen spontan zurück

· spontan

· neu synthetisierte Proteine müssen noch am Ribosom gefaltet werden, da sie sonst zu unlöslichen, inaktiven Aggregaten verklumpen können → molekulare Chaperone dienen als "Faltungshelfer"

· Aggregate werden normalerweise vom Proteasom erkannt und abgebaut

· Amyloidosen

· Denaturierung oder Fehlfaltung führt zu Aggregaten

· Krankheiten wie Alzheimer / Parkinson / Rinderwahnsinn

· Es gibt noch keine effektive Therapie

· Proteine mit ähnlicher Funktion haben auch ähnliche AS-Sequenz (Bsp: Myoglobin und Hämoglobin)

  → Sequenzhomologie

· Proteine sollen gemeinsamen Ursprung haben und durch zufällige Mutationen* entstanden sein

* Arten von Mutationen:

  · Insertion (Einfügung)

  · Deletion (Eliminierung)

  · Punktmutation

  · Frameshift

· verursacht durch Mutationen

· Beispiele: Sichelzellanämie (Hämoglobin verklumpt) / Brustkrebs

· wasserunlösliche, organische Verbindungen

· Hauptbestandteil von biologischen Membranen

· bilden grösste Energiereserve / sind eine Transportform für chemische Energie

· können als Hormone oder Vitamine wirken

· bilden einen wasserabstossenden Schutzmantel an Oberflächen

· es gibt keine verbindliche Klassifizierung von Lipiden

· mögliche Einteilung in Triglyceride / polare Lipide / nicht-verseifbare Lipide

· Bausteine der Triglyceride und polaren Lipide

· unverzweigte Monocarbonsäuren (oft >12 C-Atome)

· natürliche Fettsäuren:

  · meist eine gerade Anzahl C-Atome, weil sie in der Zelle aus C₂-Einheiten aufgebaut werden

  · entweder gesättigt oder max. 4 Doppelbindungen (fast immer Z-Konfiguration / cis)

· Doppelbindungen haben E-Konfiguration

· sind selten

· zweifach und mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind essentiell

· erste Doppelbindung liegt meistens zwischen C₉ und C₁₀ (Δ9)

· Schmelzpunkt sinkt mit Anzahl Doppelbindungen

· mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind verkürzt

· sind nur scheinbar wasserlöslich (lagern sich in Mizellen zusammen)

· für den Transport im Blut werden freie Fettsäuren an Serumalbumin gebunden

· Neutralfette (haben keine Ladung)

· sind Ester von Glycerin mit drei Fettsäuremolekülen

· sind Energiespeicher

· es kommen mehr ungesättigte als gesättigte Fettsäuren vor

· bilden das Reservefett (deshalb mengenmässig grösste Gruppe der Lipide)

· werden vorwiegend im Fettgewebe gespeichert

· lassen sich gut in Zellen speichern, da sie praktisch nicht osmotisch aktiv sind

· Energiegehalt ist etwa doppelt so gross wie von Kohlenhydraten (39 kJ/g vs 17 kJ/g) 

· lassen sich durch alkalische Hydrolyse (Verseifung) in Glycerin und Salze von Fettsäuren (Seifen) spalten

· sind Ester von langkettigen Fettsäuren mit langkettigen, einwertigen Alkoholen

· Fette: Triglyceride und Wachse

· fettähnliche Stoffe: alle anderen Lipide

· enthalten einen polaren und einen unpolaren Molekülteil

· wirken als Detergentien

· bilden Hauptbestandteil der Lipiddoppelschicht von biologischen Membranen

· Unterteilung in Phospholipide und Glykolipide

· ähnlicher Bau wie Triglyceride, aber dritte OH-Gruppe des Glycerins ist mit Phosphorsäure (nicht mit Fettsäure) verestert

· die Phosphorsäure ist nochmals mit einem weiteren Alkohol* verestert

* Cholin (in Lecithinen) / Ethanolamin (in Kephalinen) / Serin / Glycerin / Inosit

· Glycerinphosphatid, das keinen zusätzlichen Alkohol enthält

· Zwischenprodukt bei der Biosynthese von Glycerinphosphatiden

· Glycerin ist durch Sphingosin (langkettiger, ungesättigter Aminoalkohol) ersetzt

1. Aminogruppe von Sphingosin bildet mit Fettsäure ein Fettsäureamid (Ceramid)

2. entständige OH-Gruppe von Ceramid wird mit Phosphorsäure (+ Alkohol) verestert

· Beispiel Sphingomyelin: Phosphorsäure ist mit Cholin verestert / Membranbestandteil