Molekulare Zellbiologie I (Schuler)
Molekulare Zellbiologie für 2. Semester Medizin UZH
Molekulare Zellbiologie für 2. Semester Medizin UZH
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Flashcards
pI-Werte von Proteinen
· pI liegt meistens im Bereich 5 bis 7
· Pepsin (im Magen bei pH 1.5): 2.9
· Histone (im Zellkern, binden DNA): >10
Einfluss der Nettoladung auf ein Protein
· zu hohe Nettoladung eines Proteins führt zur Denaturierung
· kleine Ladung führt zur Stabilisation der Proteinkonformation
Bestimmung des isoelektrischen Punktes eines Proteins
· Elektrophorese (v.a. für Auftrennung von Proteingemische nach pI)
· Sobald das Protein im E-Feld nicht mehr wandert, hat der pH-Wert der Pufferlösung den isoelektrischen Punkt erreicht
· Protein wird mit Farbstoff sichtbar gemacht
Sequenzierung von Proteinen
· Edman-Abbau: chemische Methode / schrittweiser Abbau der AS / oft nur Teilsequenz analysierbar
· Massenspektrometrie: zufällige Segmentierung und Bestimmung der Molukularmassen erlauben Rekonstruktion
posttranslationale Modifikationen
· spezifische Veränderung von Seitenketten einiger AS
· Beispiele (Skript S. 39):
· AS + Zucker
· AS + Phosphat
· AS + Acetylgruppe
· AS + Methylgruppe
· AS + Ubiquitin
· AS + Selen
Primärstruktur
· Synonyme: Aminosäurensequenz / kovalente Struktur
· Struktur ist nur abhängig von der AS-Sequenz
· kovalente Bindungen (Peptidbindungen)
· vollständig bestimmt durch Konformation der Polypeptidkette
· Aminosäurensequenz wird vom N- Terminus zum C-Terminus geschrieben (Konvention)
→ Merkhilfe: Wie beim NC (Numerus Clausus)
Sekundärstruktur
· 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)
Tertiärstruktur
· 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)
Quartärstruktur
· 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)
Peptidbindung und Sekundärstruktur
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
α-Helix
· 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
β-Faltblatt
· 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
Supersekundärstrukturen
· 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)
Myoglobin
· Sauerstoff-Speicherprotein
· besteht zu 75% aus α-Helices
Keratin
· 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
Was ermöglicht die Funktion der Proteine?
· 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
Denaturierung von Proteinen
· 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
Unterschiede von denaturierten Formen und nativer Form
· 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
reversible Denaturierung
· 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
Faltung der Proteine
· 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
Proteinfaltungskrankheiten
· Amyloidosen
· Denaturierung oder Fehlfaltung führt zu Aggregaten
· Krankheiten wie Alzheimer / Parkinson / Rinderwahnsinn
· Es gibt noch keine effektive Therapie
Proteinstruktur und Evolution
· 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
molekulare Krankheiten
· verursacht durch Mutationen
· Beispiele: Sichelzellanämie (Hämoglobin verklumpt) / Brustkrebs
Lernziele "Lipide"
Eigenschaften von Lipiden
· 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
Klassifizierung von Lipiden
· es gibt keine verbindliche Klassifizierung von Lipiden
· mögliche Einteilung in Triglyceride / polare Lipide / nicht-verseifbare Lipide
Fettsäuren
· 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)
Transfettsäuren
· Doppelbindungen haben E-Konfiguration
· sind selten
ungesättigte Fettsäuren
· 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
Salze der Fettsäuren
· sind nur scheinbar wasserlöslich (lagern sich in Mizellen zusammen)
· für den Transport im Blut werden freie Fettsäuren an Serumalbumin gebunden
chemische Eigenschaften von Triglyceriden
· Neutralfette (haben keine Ladung)
· sind Ester von Glycerin mit drei Fettsäuremolekülen
· sind Energiespeicher
· es kommen mehr ungesättigte als gesättigte Fettsäuren vor
Triglyceride als Energiespeicher
· 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)
Verseifung von Triglyceriden
· lassen sich durch alkalische Hydrolyse (Verseifung) in Glycerin und Salze von Fettsäuren (Seifen) spalten
Fette und "fettähnliche Stoffe"
· Fette: Triglyceride und Wachse
· fettähnliche Stoffe: alle anderen Lipide
polare Lipide
· enthalten einen polaren und einen unpolaren Molekülteil
· wirken als Detergentien
· bilden Hauptbestandteil der Lipiddoppelschicht von biologischen Membranen
· Unterteilung in Phospholipide und Glykolipide
Phosphatidsäure
· Glycerinphosphatid, das keinen zusätzlichen Alkohol enthält
· Zwischenprodukt bei der Biosynthese von Glycerinphosphatiden
Sphingosinphosphatid
· 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