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Die Form:
Modellierung und Simulation von Proteinen
(Strukturen und Funktionen)
Übersicht• Geschwindigkeit von biochemischen
Prozessen
• Brown’sche Molekularbewegung
• elektrostatische Wechselwirkungen
• Brown’sche Molekulardynamik Simulation
• Superoxid:Myeloperoxidase Assoziation
Protein InteraktionenInteraktionen zwischen Proteinen und Proteinen und kleinen Molekülen regulieren das Leben der Zelle
Regulation (Stoffwechselprozess)
Signal Übertragung
ProteinTransport usw
Zelle Proteine
Voet, Biochemie: 1998
Raumstruktur von Proteinen
Voet, Biochemie: 1998
Vielfalt von Tertiärstrukturen
www.egbeck.de
Deskriptoren der Proteininteraktionen
• Spezifität – Wer sind die spezifischen Bindungspartner?
• Affinität– Wie stark ist die Interaktion?
• Geschwindigkeit– Wie schnell ist die Interaktion?
Geschwindigkeit
• Interaktionen können schnell oder langsam sein
– Erforderliche Zeit für die Signalübertragung (Nanosekunden)
– Erforderliche Zeit für Proteintransport (Millisekunden/Sekunden)
– Lebenszeit der Proteine (Stunden/Tage)
Protein-Ligand Assoziation
A + B ABkon
koff
Protein-Ligand Assoziation: Diffusions & nicht-Diffusions-
gesteuert
A + B A::B ABdiffusions-
gesteuertes Zusammen-
treffen
Docking(nicht-diffusions-
gesteuert)
Translation und Orientierung
durch Diffusion
Genaues konformationelles
Passen
Diffusions-gesteuerte Assoziations Rate > Assoziation Rate
Brown’sche Molekularbewegung
• 1827: Robert Brown, beobachtet unregelmässige Bewegung (Zick-Zack-Bewegung) von Pollenkörner auf einer Glasplatte.
• Osmose und Diffusion basieren auch auf dieser thermisch getriebenen Eigenbewegung der Moleküle
• 1905: Albert Einstein und Marian von Smoluchowski erklären unabhängig das Phänomen mathematisch
Brown’sche Molekularbewegung
Film:Brown’sche Molekularbewegung
• DNA-Reparaturenzym, an Kügelchen gekoppelt
• freie Diffusion, Brown’sche Molekularbewegung
Brown’sche Molekularbewegung
Brown‘sche Molekularbewegung abhängig von:
T = Temperatur
= Viskosität des Lösungsmittels
r = hydrodynamischer Radius der gelösten Stoffe (Stokes-Einstein relation)
durchschnittliche Weglänge eines Teilchens ist proportional zur (Zeit)
Assoziation von Molekülen wird beeinflusst von ....
• elektrostatische Wechselwirkungen
• Form der Moleküle
+KomplexProtein
Ligand
Form der Moleküle
elektrostatische Wechselwirkungen
www.egbeck.de
Elektrostatische Interaktionen
• Jedes Molekül ist eine Ansammlung v. elektrisch geladenen Teilchen
• Coulomb Kräfte• Kräfte wirken über lange Distanzen (~1/r)
Abstossung
Anziehung
E
r
elektrostatischen Eigenschaften von Proteinen werden beeinflusst von .....
• pH-Wert des Lösungsmittels
• pKa-Wert der Aminosäuren
• Ionenstärke des Lösungsmittels
HA A- + H+Ka
pH = pKa + log[HA]
[A-] pH = -log[H+] pKa=-logKa;
Titrationskurve des HistidinsCOOH COO-
+ H+
NH+ N
+ H+
COO- COO-
COO- COO-
NN N
+ H+H3N+ H2N
pK1:1.8
pK2:6.04
pK3:9.33
Geschwindigkeit
• Berechnungen sagt die Geschwindigkeit voraus, mit der Proteine assoziieren
• durch Simulationen des Interaktion Prozesses
• Brown’sche Dynamiksimulationen genannt
Brown’sche Molekulardynamik Simulation
• starten einer grossen Anzahl von Assoziationsabläufen von der Oberfläche b
• elektrostatische Kräfte
- Wahrscheinlichkeit der Assoziation
B
b-surface
c-surfaceB
A
B
Peroxidase-Oxidase (PO) Reaktion
• PO Reaktion katalysiert durch Myeloperoxidase
• Gesamtreaktion:2NADH + 2H+ + O2 2NAD+ + 2H2O
Peroxidase (PO) Reaktion
• viele Einzelreaktionen
• Zwischenprodukte: z. B. Superoxid, Hydrogenperoxid
Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003
Myeloperoxidase PO Reaktion
• Oszillation der Superoxidkonzentration beeinflusst
die Aktivierung von Zellen des Immunsystems
Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003
3-D Struktur der Myeloperoxidase
Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003
Aktives Zentrum der Myeloperoxidase (gelb)
Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003
Praktikum
• elektrostatischen Eigenschaften der Myeloperoxidase
bei unterschiedlichen pH Werten vergleichen
• Einfluss der elektrostatischen Eigenschaften auf die
Geschwindigkeit der Assoziation von Myelo-
peroxidase und dem Superoxid untersuchen
Superoxide: Myeloperoxidase diffusionsgesteuerte
Assoziation
Film
Gabdoulline, Kummre, Olsen, Wade: 2003
Zusammenfassung• Assoziation von Proteinen: Diffusions & nicht-
Diffusions-gesteuerter Prozess
• elektrostatische Wechselwirkungen beeinflussen die Assoziation
• Kinetik der Assoziation kann unter Anwendung der Brown’schen Molekulardynamik simuliert werden
• elektrostatische Eigenschaften von Proteinen werden durch viele Faktoren beeinflusst
van der Waals Wechselwirkungen
• Kräfte wirken nur über kurze Distanzen (8-10 Angstrom cutoff)
Abstossung
schwache Anziehung
Coulomb Gleichung - Energie• Interaktionsenergie von zwei Punktladungen
im Vakuum
120
21
4 r
qqU
r12 q2q1
Energy, U: kcal/molCharge, q: electron chargesDistance, r: AngstromsDielektrizitätskonstante, D
D
k
Resultat: Geschwindigkeitskonstante der
Assoziation (M -1s-1)• gemessen
• Diffusions-Limit (ohne Orientierungsbeschränkung)
• Orientierungsbeschränkung • - Erniedrigung um das 1000 fache• Electrostatische Steuerung • - Erhöhung um das 1000 fache • Konformationelles gating • - Erniedrigung um das 100 fache
• 103 –1010
• 1010
• 107
• 107-1010
• 105 -1010
adoff
ona k
k/K1K;
[B][A]
[AB]K
Protein-Protein Assoziation
• Kinetik:
• Affinität:
[AB][B][A]t
[AB]
offon kk
A + B AB
HA A- + H+Ka
=Ka [HA]
[A-] + [H+];
pH = pKa + log[HA]
[A-]
Henderson-Hasselbach-Gleichung
pKa-Wert von Proteinen