Warum ist dieses Wissen wichtig?

Die Grundbausteine der Proteine sind die Aminosäuren. Diese werden bei der Proteinsynthese unter Ausbildung kovalenter Bindungen zu einer Peptidkette kombiniert, die in der Regel eine wohldefinierte Raumstruktur einnimmt. Diese wird bedingt zum einen durch die physikalisch-chemischen Eigenschaften der an der Peptidkette beteiligten Aminosäuren und zum anderen durch die Freiheitsgrade, die sich aufgrund der chemischen Bindungen ergeben. Aufeinander folgende Aminosäuren sind über die Peptidbindung miteinander verknüpft. Die hieraus resultierenden Implikationen sollten Ihnen aus dem Kapitel "Biologische Grundlagen" gut vertraut sein. Die 3D-Struktur eines Proteins wird wesentlich bestimmt durch nicht-kovalente Bindungen zwischen Atomen unterschiedlicher Aminosäurereste. Hierzu gehören auch Wasserstoffbrückenbindungen. Derartige Bindungen zwischen Atomen des backbones sind verantwortlich für die Ausbildung der Sekundärstrukturelemente. Die wichtigsten sind α-Helices und β-Faltblätter. Diese beiden werden Sie im folgenden genauer studieren. Schließlich werden sie Cluster von Sekundärstrukturelementen, sogenannte Supersekundärstrukturen kennen lernen.

Bezug Diese Übungen ergänzen das Kapitel 1 "Biologische Grundlagen".  
     

Lernziel
Nach dem Bearbeiten der Übung sollten Ihnen
  • die wichtigsten Eigenschaften von Aminosäuren,
  • die Peptidbindung,
  • die wichtigsten Sekundärstrukturelemente

vertraut sein.
 
Übung Prot_Str_1, Aminosäuren
In Proteinsequenzen werden die aufeinander folgenden Residuen üblicherweise im Einbuchstaben- oder Dreibuchstabencode notiert. Dieses einfachste aller Proteinmodelle ist auch das am stärksten abstrahierende. Es hat deswegen eine Berechtigung und ist deswegen für viele Anwendungen  ausreichend, weil die Sequenz die Raumstruktur eines Proteins determiniert, obwohl es im allgemeinen nicht möglich ist, unter Verwendung eines Algorithmus aus der Sequenz die Struktur vorherzusagen. In dieser Übung sollen Sie sich vor Augen führen, dass mit einem Symbol in einer Zeichenkette (der Sequenz) ein komplexes chemisches Molekül gemeint ist, eine Aminosäure. Dieses Molekül kann in zwei Teile gegliedert werden, einen in allen Aminosäuren gleichen Anteil, der den Hauptkettenverlauf (das Rückgrat oder backbone) ausmacht und eine Seitenkette, die in jedem Aminosäuremolekül unterschiedlichen Aufbau hat und die physikalischen und chemischen Eigenschaften determiniert.  
Betrachten Sie die Strukturformel und die Raumstruktur der Aminosäure Phenylalanin.
  • Machen Sie sich klar, dass sich aufgrund der Amino- und Carboxylgruppe in Proteinsequenzen eine eindeutige Strangrichtung ergibt. 
  • Studieren Sie die räumliche Anordnung der einzelnen Gruppen.
  • Welche Freiheitsgrade hat die Seitenkette?
Struktur von
Aminosäuren
Strukturformel (links) und 3D-Struktur (rechts) der Aminosäure Phenylalanin.

Der in allen Aminosäuren gleichartige Anteil ist in der Strukturformel (grau unterlegt. In jeder Aminosäure ist mit dem zentralen C-Atom ein Wasserstoffatom (unten), eine Aminogruppe (links), eine Carboxylgruppe und eine Seitengruppe verknüpft.

Hinweise Wenn Sie den Mauszeiger über das mit Jmol beschrifte Fenster bewegen und einmal klicken, interpretiert das Visualisierungsprogramm Jmol die folgenden Mausbewegungen und -klicks.

Drehen des Mausrädchens verändert die Größe des Modells.

Solange die linke Maustaste gedrückt bleibt, verändert jedes Bewegung des Mauszeigers die räumliche Ausrichtung des Modells.
Klicken der rechten Maustaste lässt ein Menü erscheinen, dass wir in diesen Übungen noch ignorieren.
 
Üben Sie bitte das Ausrichten des Modells.

Richten Sie die Struktur so aus, dass Sie alle Atome gut sehen können. Wenn Sie den Mauszeiger über einem Atom positionieren, wird Ihnen die Atomnummer und das chemische Symbol angezeigt. Können Sie die Elemente der Amino- und der Carboxlygruppe identifizieren?
 
Übung Prot_Str_2, Peptidbindung

In der folgenden Abbildung, die Sie aus Kapitel 1 kennen, ist die Peptidbindung schematisch dargestellt. Sie können erkennen, dass die an der Bindung beteiligten Atome jeweils starr in einer Ebene liegen und dass jede Peptidbindung durch die Angabe von zwei Winkeln (phi und psi) determiniert ist Der Winkel ω spielt bei der Beschreibung von Proteinen keine Rolle, da er nur zwei Werte (0° und 180°)  annehmen kann und der zweite Wert äußerst selten in Proteinen auftritt.
 
 
Konformation der Peptidbindung.
Die an einer Peptidbindung (die beiden hier gezeigten sind rot markiert) beteiligten sechs Atome liegen jeweils in einer Ebene. Der Aminosäurerest an der betrachteten Position (hier grün) ist mit R bezeichnet. Die räumliche Anordnung des Hauptkettenverlauf eines Polypeptids ..-Cα-C-N-Cα-C-N-Cα-.. wird bestimmt durch das für jede Position (jedes Residuum) anzugebende Paar von Winkeln ( Φ, Ψ ) , mit dem die Lage der durch die Peptidbindung aufgespannten Flächen relativ zum Cα -Atom festgelegt ist.		  

Im folgenden Modell sind zwei, durch eine Peptidbindung verknüpfte Aminosäuren in ihrer räumlichen Lage widergegeben, die Aminosäurereste wurden hierbei weggelassen. Machen Sie sich bitte mit dieser räumlichen Anordnung vertraut: 

Welche Atome gehören zu jeweils einen Aminosäurerest?
Wo sind die phi und psi Winkel?
 
   

Topologie der
Peptidbindung

           
         
Beschriftung
Residue 2		      
           
Rot.-Winkel
an Cα 		     
 
 
   
Hinweise Um Ihnen die Orientierung zu erleichtern, können Sie mithilfe der Tasten, die rechts eingefügt wurden, das Residuum 2 markieren.
Mit den Tasten, die mit Phi und Psi markiert sind, können Sie die Achsen der zugehörigen Winkel gelb markieren.
   
Übung Prot_Str_3, Alpha-Helices
  Sind die ( Φ, Ψ )-Winkel aufeinander folgender Residuen konstant, so ergeben sich helikale Strukturen. Unter diesen ist die am häufigsten vorkommende die α-Helix. In der α-Helix besteht jeweils eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen der CO-Gruppe einer Aminosäure und der NH-Gruppe der viertnächsten. Es machen jeweils 3.6 Aminosäuren eine vollständige Drehung aus.
Machen Sie sich mit der alpha-Helix vertraut:

Zwischen welchen Atomen werden Wasserstoffbrücken ausgebildet?
 
 
           

α-Helix aus Karyopherin alpha
           
  Stäbchen-
Modell		   Sekundär-
struktur		   Back-
bone
       
α-Helix    
           
Wasserstoff-
brücken-
bindungen		      
 
  Bitte studieren sie jetzt die Struktur dieses Proteins, das fast vollständig aus α-Helices besteht. Vergleichen und analysieren Sie bitte auch die Sekundärstruktur und deren Drstellungsweise.

 
Übung Prot_Str_4, Beta-Faltblätter
  Das zweite, wichtige Sekundärstrukturelement ist das β-Faltblatt. Ein β-Faltblatt besteht aus einzelnen β-Strängen, die meist 5-10 Residuen lang sind. Zwischen den Residuen unterschiedlicher Stränge werden Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet. Hierbei sind die C=O-Gruppen des einen Stranges mit den NH-Gruppen des nächsten Stranges verknüpft. Auf diese Weise können mehrere Stränge zu einem Blatt verbunden sein. Die Cα-Atome aufeinander folgender Residuen kommen abwechselnd über oder unter der Ebene, die durch das Faltblatt aufgespannt wird, zum liegen. Die Stränge können in zwei Richtungen verlaufen:
  • parallel; die durch N- und C-Terminus vorgegebene Richtung in nebeneinander liegenden Strängen ist die selbe
  • antiparallel; die Richtung nebeneinander liegender β-Stränge wechselt alternierend.

Im Protein-Inneren sind die β-Faltblätter meist parallel. An der Proteinoberfläche sind sie meist antiparallel. Dort ragen die Aminosäurereste der einen Seite in die (hydrophile) Umgebung, während die der anderen zum hydrophoben Kern hin ausgerichtet ist. Hieraus ergibt sich im Idealfall in der Sequenz ein charakteristischer Wechsel von hydrophoben und hydrophilen Aminosäuren.
 
       
 

β-Faltblatt aus der B1-Domäne des
Proteins G von Streptococcus

  Stäbchen-
Modell		   Sekundär-
struktur		  
     
β-Strang    
β-Faltblatt    
Gesamte
Domäne		    
         
Wasserstoff-
brücken
bindungen		    
 
  Häufig liegen β-Faltblätter sandwichartig aufeinander. Bitte betrachten Sie nun folgende Struktur, die fast vollständig aus Faltblättern besteht.
Machen Sie sich mit Faltblättern vertraut:

In welche Richtung ragen die Aminosäurenseitenketten?

Welche Aminosäuren ragen ins Proteininnere, welche in das umgebende Medium?

Können Sie ein eine auffällige Abfolge hydrophiler und hydrophober Aminosäurereste ausmachen?

Können sie grob die 3D-Struktur von β-Sandwiches beschreiben? Sind Sie planar?

Erstellen sie eine grobe Statistik zur Länge der einzelnen β-Stränge.
Übung Prot_Str_5, Supersekundärstrukturelemente
In vielen Proteinen finden sich reguläre Anordnungen von Sekundärstrukturelementen. Diese dienen z. B. in der SCOP-Datenbank dazu, Proteine zu kategorisieren, d. h. in Familien und Superfamilien einzuordnen.
Ein schönes Beispiel für eine regelmäßige Abfolge von 2D-Elementen finden sie in der folgenden Darstellung.  
Das (βα)8-Fass
Das TIM-Barrel Protein Fructose-Biphosphat-Aldolase
gehört zum Faltungstyp des (βα)8-Fasses.
Bestimmen Sie die Abfolge der Sekundärstrukturelemente.

Können Sie eine gewisse Periodizität erkennen?

 
Hinweise Benutzen Sie für die Beantwortung dieser Fragen den zugehörigen Eintrag der PDB-SUM Datenbank am EBI.
Dort wird die Abfolge der Sekundärstrukturelemente graphisch aufbereitet dargestellt.
   

Was Sie jetzt verstanden haben sollten

 Proteine sind Makromoleküle, die aus einer Kette aneinandergefügter Aminosäuren bestehen. Die Peptidbindung verknüpft die einzelnen Aminosäuren. Protein werden häufig durch den räumlichen Verlauf der Hauptkettenatome charakterisiert. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Hauptkettenatomen determinieren zwei wichtige Sekundärstrukturelemente, die alpha-Helices und die beta-Stränge. Der variable Teil der Aminosäure wird Residuum oder Rest genannt.