Grundlagen der Molekularen Biophysik WS 2011/12

(Bachelor)

Dozent: Prof. Dr. Ulrike Alexiev

(R.1.2.34, Tel. 56100/Sekretariat Frau Endrias Tel. 53337)

Tutoren: Dr. Kristina Kirchberg

Alexander Boreham

6-stündig (2x2-stündige Vorlesung, 1x2-stündige Übung)

Vorlesung: Di, Do 8.30-10 Uhr Beginn: 18.10.11 (FBR Raum)

Übung: Mo 8:30-10 Uhr, 10-12 Uhr

Beginn: 24.10.11 SR E2, FBR Raum

Folgende Folien sind nur zur Verwendung in der Vorlesung und nicht für

Veröffentlichung und Weiterverbreitung

Stabilisierende Kräfte in Makromolekülen

+ Disulfid-Brücken

•Die Wasserstoffbrücke in Proteinen

•Stabilisierendes Element für Sekundärstruktur

Ist eine spezielle Art von Dipol-Dipol-Wechselwirkung (elektrostatisch)

Die Annäherung der beiden Dipole kann auf sehr kleine Entfernungen erfolgen (0.26-0.31nm),

und teilweise sogar Van-der-Waals-Radien unterschreiten kovalente Beiträge

Bindungsenergie: 1 to 40 kcal/mol und ist abhängig vom Bindungsabstand

Bindungsenergien sind nicht nur elektrostatisch zu erklären, quantenmechanische Aspekte

müssen berücksichtigt werden.

Schwache Bindung, kann durch thermische Stöße im biol. Temperaturbereich zerstört werden.

Wasser als Konkurrenz zu Wasserstoffbrücken im Protein

• Wasserstoff-Brücken

• Hydrophobe Kräfte

• Hydratationskräfte

Hydrophob = wasserabstoßend

Hydratation = Anlagerung von Wassermolekülen

freies Wasser:

Ausbildung einer H-Brücke: DH

Konfigurations-Freiheitsgrade: DS

STHG DDD

H-Brücken vom hydrophoben

Bereich weggerichtet:

Zunahme der Ausrichtung: DS

DG, günstig

DG, ungünstig

unpolar

unpolar

Was passiert,

wenn unpolare/amphiphile Moleküle in Wasser gelöst werden?

hydrophober Effekt, Entropieeffekt

Beispiel: hydrophobe Aminosäureseitenketten eines Proteins

(Gibbs-Helmholtz-Gleichung)

DG, günstig

Die Zusammenlagerung der hydrophoben Ketten bewirkt eine Entropiezunahme,

da die Kontaktfläche zwischen Wasser und unpolaren Grenzflächen verringert wird.

DS

Hydropathie-Index (Kyte and Doolittle, JMB 157, 110, 1982)

-0.4

-0.8

1.8

4.2

3.8 4.5

2.5

-0.7

1.9 2.8

-1.3

-0.9

-3.9

-3.2

-4.5 -3.5

-3.5

-3.5 -3.5

-1.6

Hydropathy plot for glycophorin A. a single membrane-spanning protein.

Hydrophathicitv is measured by the free energy required to transfer each segment of the polypeptide

from a nonpolar solvent to an aqueous medium. Values above the 0 line are energy requiring (+DG),

indicating they consist of stretches of amino acids that have predominantly nonpolar side chains.

Peaks that project above the red-colored line are interpreted as a transmembrane domain.

Hydrophobe Kräfte

verantwortlich für das Zusammenbringen von unpolaren Gruppen in

wässriger Umgebung

resultiert aus der Vermeidung von thermodynamisch ungünstigen

Interaktionen von unpolaren Gruppen mit Wasser (Entropieeffekt)

treibende Kraft bei der Bildung von Lipidmembranen und beitragende

Kraft zur Stabilisierung von Proteinen.

polar

unpolar

Was passiert,

wenn unpolare/amphiphile Moleküle in Wasser gelöst werden?

Mizelle Protein

Wassermoleküle lagern unter der Bildung von Hydraten an dispergierte

oder gelöste Ionen, Atome, Moleküle oder Kolloide an.

Beispiel: NaCl

Was passiert, wenn polare Teilchen in Wasser gelöst werden?

Welche Kräfte führen zur Ausbildung einer Hydrathülle?

Ion-Dipol-Wechselwirkung (elektrostatische Wechselwirkung)

Der Dipol richtet sich im elektrischen Feld des Ions aus.

lqp

Was passiert, wenn polare Teilchen in Wasser gelöst werden?

Die Fähigkeit zur Hydratisierung ist eine wichtige Eigenschaft von Wasser, die

auf seinen Dipolcharakter zurückzuführen ist.

(-)

O

H H (+)

d- d+ d+

Wasser vermindert die Stärke von elektrostatischen Wechselwirkungen

zwischen Ionen gegenüber dem Zustand im Vakuum um den Faktor 80.

D.h. die Hydrathülle hält Ionen in Lösung. Gilt auch für polare bzw.

geladene Moleküle wie Proteine.

Elektrostatische Wechselwirkung und Hydrathülle

Hydrathülle eines Proteins: ca. 1.2Å dick

Lokale Dichte des Wassers ca. 10% höher als im freien Wasser

Bestimmung mittels hydrodynamischer Parameter (klassisch),

neue Methoden auf Einzelmolkül Basis, Röntgen-und

Neutronenstreuungsmethoden

Biophys Chem. 2001 Nov 28;93(2-3):171-9.

A unified picture of protein hydration: prediction of hydrodynamic properties

from known structures.

Zhou HX.

Biophys Chem. 2001 Nov 28;93(2-3):129-39.

X-ray and neutron scattering analyses of hydration shells: a molecular

interpretation based on sequence predictions and modelling fits.

Perkins SJ.

Nucleinsäuren (DNA/RNA):

Haben eine netto negative Ladung in wässriger Umgebung

Stärkere Hydratisierung als Proteine (0.60.2 g/g vs. 0.3-0.4 g/g)

Glykosilierte Proteine und Polysaccharide: ~0.5 g/g

d.h. höhere Affinität für Wasser

Wenn Ionen hydratisiert sind– wie passen sie durch einen Ionenkanal in

der Membran, Frage nach Selektivität?

Vergleich Natrium und Kalium:

Na+ ist kleiner, aber beide haben gleiche Ladung (K+)

Konsequenz: unterschiedliche Oberflächenladungsdichte

d.h. welches Ion hat eine grössere Oberflächenladungsdichte?

Wenn Ionen hydratisiert sind– wie passen sie durch einen Ionenkanal in

der Membran, Frage nach Selektivität und Stabilität?

Vergleich Natrium und Kalium:

Na+ ist kleiner, aber beide haben gleiche Ladung (K+)

Konsequenz: unterschiedliche Oberflächenladungsdichte

d.h. welches Ion hat eine grössere Oberflächenladungsdichte? Na+

Dadurch auch mehr „gebundenes Wasser“ d.h. grössere Hydrathülle

Na+: 4.5 im Mittel

K+: 2.9 im Mittel

Kaliumkanal

Hydratisierungskräfte

sind elektrostatischer Natur

gehen auf den elektrischen Dipolcharakter des Wassers zurück.

Ionen-Dipol-Wechselwirkung ist für die Ausbildung der ersten Schicht

verantwortlich

Die Hydrathülle schwächt die gegenseitige Anziehung von Ionen bzw.

polaren und geladenen Molekülen und hält sie in Lösung.

Die Hydrathülle führt zu einem größerer effektiver Radius

(Einfluss auf Diffusion, Transport von Ionen durch Ionenkanäle und Poren).

Hydratation hat Einfluss auf Dynamik und Funktion von Biomolekülen.

Zusammenfassung

Hydrophobe Kräfte

verantwortlich für das Zusammenbringen von unpolaren Gruppen in

wässriger Umgebung aufgrund des Entropiegewinns und einer entsprech-

enden Minimierung der freien Energie des Systems.

„Entropie Effekt“

treibende Kraft bei der Bildung von Lipidmembranen und beitragende

Kraft zur Stabilisierung von Proteinen

(Energie: ~4 kJ/mol entspricht ca. 2x RT @300K)

Hydratisierungskräfte

beruhen auf Ion-Dipol-Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen

und polaren bzw. geladenen Molekülen oder Teilchen.

„Elektrostatischer Effekt“

verantwortlich für die Löslichkeit von Ionen und vielen Proteinen.

beitragende Kraft zur Proteinstabilität.

7. VORLESUNG

Kofaktoren bringen Farbe ins Leben I

• Kofaktorentypen in der Übersicht

Was sind Kofaktoren?

Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)

oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.

Warum sind sie notwendig?

Funktion und Struktur

Was sind Kofaktoren?

Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)

oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.

Warum sind sie notwendig?

Funktion und Struktur

Kovalent

Bakteriorhodopsin

Rhodopsin

C-term

C316

F313

Y306

P303 N302

N55

D83 S299

S298

K296

E113

E181

Ret

W126

H211

E122

Y136

T251

E247

E134

R135

H8

1

2

3

4 5

6

7

hn

Retinal ist als Kofaktor kovalent über eine protonierte Schiffsche base an ein

Lysin Rest des Opsins gebunden

Was sind Kofaktoren?

Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)

oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.

Warum sind sie notwendig?

Funktion und Struktur

Kovalent

z.B.

Bakteriorhodopsin

Rhodopsin

Nicht-Kovalent

z.B.

Chlorophyll

Photosynthese

Chlorophylle sind nicht-kovalent in großen Proteinkomplexen gebunden

Struktur des Antennenkomplex LH2 eines

Purpurbakteriums. Die BChl sind gelb

(B800) und orange (B850) gezeichnet.

Zur besseren Übersichtlichkeit wurden

die Phytylschwänze nicht gezeichnet und

die Proteinumgebung transparent

dargestellt. Die Magnesiumatome im

Zentrum der BChl sind als Kugeln

dargestellt.

Was sind Kofaktoren?

Meistens kleine Moleküle, die entweder kovalent (i), nicht-kovalent (ii)

oder über Komplexbildung (iii) im Protein gebunden sind.

Warum sind sie notwendig?

Funktion und Struktur

Kovalent

z.B.

Bakteriorhodopsin

Rhodopsin

Nicht-Kovalent

z.B.

Chlorophyll

Komplexbildung

z.B.

Fe-S-Cluster

Fe-S-Cluster

Rieske protein is a iron-sulfur protein (ISP) component of cytochrome bc1

complex and the cytochrome b6f complex which was first discovered and isolated

by John S. Rieske and co-workers in 1964. It is a unique [2Fe-2S] cluster in that

one of the two Fe atoms is coordinated by two histidine residues rather than two

cysteine residues.

1bcc

Kofaktoren im Überblick

I. Pigment, Chromophore

II. Redoxfaktoren,

Elektronentransport

III. Katalysatorfunktion,

Substrataktivierung

IV. Reine Strukturfunktion

Metallfreie Pigmente

(Carotinoide, Retinale, Phycocyanin etc)

Metall-organische Pigmente

(Hämgruppe, Chlorophylle, etc)

Organische Redox-Moleküle

(NAD, Chinon, Flavin, Ascorbinsäure, etc)

Redox-aktive Metall-Komplexe

(Fe-S Cluster, blaue Cu-Zentren, etc)

Redox-inaktive Metall-Komplexe

(Ca-Zentren, Zn-Zentren etc)

Alkohol-Dehydrogenase (ADH)

Alkohol-Dehydrogenase (ADH)

Bacteriorhodopsin (bR)

Cytochrom C oxidase (COX)

pp* Übergänge

meistens stark

absorbierend

d-d Übergänge

schwach

absorbierend

Lig-Me-charge

transfer mittel bis

stark

absorbierend