In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften, die Struktur und die Funktion von Proteinen erläutert. Als erstes werden die Bestandteile eines Proteins und die vier Schritte der Strukturen nähergebracht. Die dreidimensionale Faltung einer Polypeptidkette ist entscheidend für die Funktion eines Proteins. Doch wie läuft diese Faltung ab und welche Bedeutung hat dies für ein Lebewesen? Die vorliegende Arbeit geht hierauf ein, um diese Fragen zu beantworten. Sie zeigt die Bedeutung der sog. „energy landscape“ und welche Auswirkung sie auf die entscheidende dreidimensionale Faltung der Proteine hat, da der Ablauf dieser Faltung durch eine Energielandschaft festgelegt ist. Experimente zu dieser Faltung können mit einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt werden. Die Funktionsweise und der Aufbau von diesem Gerät wird dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
Kurzvorstellung des Autors
1 Einleitung
2 Proteine
2.1 Aminosäure
2.2 Peptide
3 Proteinstruktur
3.1 Primärstruktur
3.2 Sekundärstruktur
3.3 Tertiärstruktur
3.4 Quartärstruktur
3.5 Dreidimensionale Struktur
4 Proteinfaltung
4.1 Dynamik der Proteinfaltung
4.2 Fehlfaltungen
5 Proteinfunktion
6 Energielandschaften
7 Rasterkraftmikroskopie
7.1 Aufbau der Rasterkraftmikroskopie
7.2 Anwendung und Funktion
8 Resümee
9 Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Kurzzusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften, die Struktur und die Funktion von Proteinen erläutert. Als erstes werden die Bestandteile eines Proteins und die vier Schritte der Strukturen nähergebracht. Die dreidimensionale Faltung einer Polypeptidkette ist entscheidend für die Funktion eines Proteins. Doch wie läuft diese Faltung ab und welche Bedeutung hat dies für ein Lebewesen? Die vorliegende Arbeit geht hierauf ein, um diese Fragen zu beantworten. Sie zeigt die Bedeutung der sog. „energy landscape“ und welche Auswirkung sie auf die entscheidende dreidimensionale Faltung der Proteine hat, da der Ablauf dieser Faltung durch eine Energielandschaft festgelegt ist. Experimente zu dieser Faltung können mit einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt werden. Die Funktionsweise und der Aufbau von diesem Gerät wird dargestellt.
Kurzvorstellung des Autors
Der Autor Gerd Ulrich Nienhaus des Wissenschaftlichen Textes „Physik der Proteine“, welches im Jahr 2004 in Weinheim erschienen ist, wurde am 10. Februar 1959 in Köln geboren [o. V.], studierte an der Universität Münster den Studiengang Physik und erlange dort 1988 seinen Doktortitel. 1990 wanderte er in die USA aus und ging als Postdoktorand an die University of Illinois at Urbana-Champaign und wurde dort erstmals Assistant und erhielt später seinen Professortitel für Physik und Biophysik. Im Jahr 1996 nahm er sein Amt als C4-Professor an der Uni Ulm an und arbeitet weiterhin als Adjunkt Professor an der UIUC in den Vereinigten Staaten.
Derzeit ist Nienhaus Vorstand in der Deutschen Gesellschaft für Biophysik und gleichzeitig Sekretär der IUPAP-Kommission für Biologische Physik [Nienhaus, 2004].
1.Einleitung
Proteine sind nanotechnische Wunderwerke. Man bezeichnet sie auch als die ,,biologischen Nanomaschinen‘‘. Sie überliefern jeden Prozess, der in einer Zelle abläuft und sie tauchen in allen Zellen und Zellbestandteilen auf. Sie existieren in tausende von unterschiedlichen gestalten. Sie verleihen uns Immunität durch Antikörper und ermöglichen viele Dinge wie, Bewegung, Entwicklung des Körpers und Differenzierung. Sie haben großen Einfluss und sind sehr bedeutsam für unsere Umwelt. Doch wie funktionieren sie und was macht sie so speziell? Der wichtigste Prozess für ein Protein ist seine komplexe dreidimensionale Faltung. Wenn Fehler in der Faltung der Proteine auftreten, können diese gefährlich für eine Zelle sein. Sie Falten sich zu klumpen und viele Krankheiten berufen auf solchen Fehlfaltungen beispielsweise der Alzheimerdemenz [Nienhaus, 2004].
2. Proteine
2.1 Aminosäure
Die meisten Proteine setzen sich nur aus Aminosäure zusammen und enthalten keine weiteren Bestandteile. [Nelson und Cox, 2011]. Es existieren ungefähr 300 Aminosäuren, Proteine enthalten jedoch nur 20 davon [Rodwell, 1986]. Für die Bildung der Proteine sind α-Aminosäuren notwendig. Diese werden auch Proteinogen (= proteinbildend) genannt [Schmuck, Engels, Schirmeister, Fink, 2008]. Abkürzungen bestehen aus einem Code mit jeweils drei Buchstaben. Durch die Verbindung der Aminosäuren entsteht eine lineare Polymerkette, die wichtig sind für das Bestehen eines Proteins, jedoch nicht ausreichend ist für seine Funktion [Nienhaus, 2004].
Abbildung A: Grundstruktur einer Aminosäure
2.2 Peptide
Durch die Peptidbindungen der Aminosäuren entstehen lineare Ketten [Nienhaus, 2004]. Bei der Verbindung zweier Aminosäuren wird ein Teil Wasser verloren. Dieser Verlust wird „Rest“ genannt und ein „Rest“ der Aminosäure verknüpft sich mit einem anderem Aminosäurerest. Dieser Vorgang wird auch Kondensationsreaktion genannt. Bei einer Verknüpfung von vielen Aminosäuren nennt man dies ein Polypeptid und diese lassen sich auch durch viele unterschiedliche Techniken aufspalten (Hydrolisieren). Proteine können mehrere tausende Aminosäuren enthalten [Nelson und Cox, 2011].
Abbildung B: Peptidbindung durch Kondensation
3. Proteinstruktur
Man unterteilt bei Proteinen vier verschiedene Stufen der Strukturbildung. Diese sind zunächst einmal die Primärstruktur, Sekundärstruktur, Tertiärstruktur und Quartärstruktur. Zum aktuellen Zeitpunkt sind 560 verschiedene Faltungsmuster erforscht und es wird vermutet, dass noch tausende weitere Faltungsmuster existieren [Nienhaus, 2004] [Berg, Tymonczko, Stryer, 2011].
3.1 Primärstruktur
Die Primärstruktur ist die Ebene, in der die Aminosäurereste sich in eine Polypeptidkette verknüpfen und bilden eine Aminosäuresequenz [Nelson und Cox, 2011]. Diese Struktur ist im Gen eines Proteins festgeschrieben [Nienhaus, 2004].
3.2 Sekundärstruktur
Polypeptidketten besitzen zwei drehbare Winkel, die die Faltung der Kette erlauben. Bei der Faltung in die dreidimensionale Struktur entstehen strukturell definierte, stabile Konstellationen, die auch Tertiärstruktur genannt wird. Die α-Helix und das β-Faltblatt sind die, die am häufigsten vorkommen [Nienhaus, 2004], [Nelson und Cox, 2011].
3.3 Tertiärstruktur
Die Tertiärstruktur betitelt alle zustände der dreidimensionalen Faltung eines Proteins. Auch wenn Proteine viele unterschiedliche Sequenzen besitzen, falten sie sich trotz dessen in dasselbe Faltungsmuster [Nelson und Cox, 2011].
3.4 Quartärstruktur
Falls ein Protein aus mehreren Untereinheiten besteht und sich zu einem größeren Protein zusammenlagert benennt man diese Aufstellung Quartärstruktur [Nelson und Cox, 2011].
3.5 Dreidimensionale Struktur
Die Primärstruktur eines Proteins unterscheidet sich durch die Anzahl und der Abfolge der Aminosäureresten. Wie in 3.1 beschrieben wird, bestimmt die Primärstruktur, wie sich ein Protein in seine dreidimensionale Struktur faltet. Die zwei drehbaren Winkel in einer Aminosäuresequenz machen es möglich, dass ein Protein sich in viele Konstellationen falten kann. Durch die strukturellen Funktionen nimmt jedes Protein eine besondere Dreidimensionale Struktur an [Nienhaus, 2004]. Die Aminosäuresequenz bestimmt seine Struktur und die Funktion eines Proteins ist abhängig davon [Nelson und Cox, 2011].
4. Proteinfaltung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Damit ein Protein funktionstüchtig wird, muss die Polypeptidkette sich zuerst in eine sehr komplexe und spezifische dreidimensionale Form falten. Erstmals sieht diese Aufgabe unmöglich aus, da jede Aminosäurekette sich in tausende unterschiedliche Formen falten könnte jedoch nehmen die meisten Proteine zügig und effektiv die richtige Form an. Diese Faltung liegt an der Energie der Proteine. Besonders Wichtig dafür sind die Wechselwirkungen der gefalteten Proteine. Die Analyse der dreidimensionalen Strukturen eines Proteins kann man durch verschiedene Methoden erforschen. Jedoch die Struktur eines Proteins zu kennen beantwortet nicht die Frage, wie seine Dreidimensionale Struktur erreicht wird [Nienhaus, 2004].
4.1 Die Dynamik der Proteinfaltung
Manche Proteine sind hydrophob (Wasser abweisend) und manche von ihnen sind hydrophil (Wasser aufnehmend). In einer Aminosäurekette tauchen diese Eigenschaften verschieden oft vor. Diese Eigenschaften treiben den Faltungsprozess an. Hydrophobe Aminosäuren verbinden sich gegenseitig und es entsteht ein fester Kern. Die hydrophilen Aminosäuren hingegen bauen eine Proteinoberfläche auf. Dadurch kann der Eiweißstoff innerhalb des Körpers, welcher wasserhaltig ist, als leistungsfähiges und biologisch aktives Molekül seine Funktion befolgen. Bei größeren Proteinen falten sich zuerst verschiedene Segmente separat zu „Domänen“ [Max-Planck-Gesellschaft, 2010].
4.2 Fehlfaltungen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Chaperonine nennt man auch Helfermoleküle in der Proteinfaltung. Proteine, die sich nicht richtig falten, werden von diesen so genannten Helfermolekülen aufgenommen und darin können sie sich in Ruhe in ihre richtige Form falten. Nach diesem Vorgang kommt das Molekül heraus und kann so seine Funktion problemlos erledigen. Für ungebräuchliche oder fehlerhaft gefaltete Moleküle gibt es ein so genanntes Proteasom. Dies Recycelt diese Fehlhaften Eiweißstoffe in kleine Stücke. Aus diesen können sich wiederrum neue Proteine entwickeln. Dennoch können sich Proteine immer wieder falsch falten. Die Ursache dafür könnte sein, dass die Aminosäurekette sich von Anfang an in eine falsche Struktur bildet oder ein funktionstüchtiges Protein verliert im Nachhinein seine richtige Form [Max-Planck-Gesellschaft, 2010].
5. Proteinfunktion
Für das Verständnis einer Proteinfunktion, muss erst einmal die 3D Struktur eines Proteins bekannt sein. Die zweidimensionale Abbildung ist nicht ausreichend dafür und überliefert einen statischen Eindruck. Die Funktion eines Proteins ist abhängig von ihrer Wechselwirkung mit anderen Molekülen. Sie werden von kleinen, gelegentlich aber auch durch große Veränderungen beeinflusst. Moleküle die von Proteinen reversibel gebunden werden, nennt man Ligand. Die Wechselwirkung zwischen einem Liganden und Protein ist ausschlaggebend für das Überleben. Sie befähigen einen Körper schnell auf Veränderungen der Umwelt und auf einen Metabolismus zu reagieren. Ein Ligand bindet sich an eine Proteinstruktur. Diese sog. Bindungsstelle ist ergänzend bezüglich der Größe, seiner Form und seinen hydrophoben und hydrophilen Merkmalen. Ein Protein verfügt die Eigenschaft darüber, verschiedene Moleküle voneinander zu unterscheiden und es kann unterschiedliche separate Bindungsstellen für verschiedene Liganden aufweisen. Die Wechselwirkungen sind für die Erhaltung der besonderen Ordnung in lebenden Systemen ausschlaggebend (ausgenommen das Wassermolekül, da es leichte Wechselwirkungen an mehreren Positionen des Proteins eingehen kann). Konformationsänderungen von Proteinen können minimal sein und reflektieren geringe Bewegungen von Aminosäureresten im gesamten Protein. Falls sich ein Protein hierdurch bewegt nennt man diesen Vorgang „es atmet“. Wenn sich größere Teile der Proteinstruktur bis zu einige Nanometern bewegen, so können diese Änderungen sehr aufwändig sein. Ein Sonderfall der Proteinfunktion sind Enzyme. Sie binden und ändern andersartige Moleküle chemisch um. Moleküle auf die die Enzyme einwirken, nennt man Substrate von einer Reaktion. Die Bindungsstellen werden katalytisches oder aktives Zentrum genannt [Nelson und Cox, 2011].
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- Quote paper
- Merve Korkmaz (Author), 2019, Physik der Proteine. Das Konzept der Energielandschaft als modellhafte Vorstellung für das Verständnis von Proteinfaltung und Proteinfunktion, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1187830
