Kapitel 3 (Proteine & AS)

• - über 100 AS
• - N-haltige Stoffe 
• - quantitativ vorherrschend im Gewebe
• - auch Eiweiss genannt

Ein Protein ist ein lineares Polymer aus 20 verschiedenen Aminosäuren (As) als Bausteine.

• - AS als Bausteine:
•    - sind in ihrer Seitenkette (R-Gruppe) unterschiedlich
•    - besitzen gleiche Funktonelle Gruppen 
•       - α-NH2-Gruppe (Amin)
•       - α-COOH-Gruppe (Säure)
• - AS sind durch Peptidbindungen miteinander verknüpft
•    - Säureamidbindung durch Verknüpfung der α-Carboxylgruppe einer AS mit der α-Aminogruppe der nächsten AS
•       - Reaktion ist thermodynamisch ungünstig (delta G >0) daher wird sie bei der Translation von den Ribosomen katalysiert (Peptidyltransferase)

- je nach Zahl der AS-reste bezeichnet man das entstehende Molekül als Di-, Tri-, Tetra-, Penta-, Polypeptid (mehr als 10 AS) oder Protein (mehr als 100 AS)

Trotz einfachen linearen Bauprinzips gibt es infolge der 20 verschiedenen Bauelemente praktisch unendlich viele Kombinationsmöglichkeiten.

• - Peptidketten falten sich zu definierten, für Protein spezifischen 3D-Struktur
•    - wegen definierter Struktur können reine Proteine Kristalle bilden
•    - je nach Raumstruktur kann Protein pathologisch oder physiologisch sein

zu unterscheidende Strukturelemente:

• 1) Primärstruktur (AS-sequenz):
• - kovalente Struktur der Peptidkette
• - genetisch bestimmte Reihenfolge der versch. AS längs der Peptidkette

• 2) Kettenkonformation:
• - Faltung der Peptidkette im Raum
• - bestimmt durch Primärstruktur (indirekt genetisch)
• - Stabilisiert durch nicht kovalente Bindungen (Ausnahme Disulfid-Bindungen)
• - typische Faltungsform eines best. Proteins = native Struktur
•    - bildet sich spontan nach Biosynthese durch Selbstorganisation
•    - in dieser Form biologisch Aktiv

- Die meisten Proteine haben eine sehr ähnliche elementare Zusammensetzung:

• S	C	H	O	N
  0-3	50	10	20	16	Massen-%

• - Der Stickstoffanteil von Proteinen ist ziemlich konstant und kann deshalb zur quantitativen Bestimmung von Proteinen benutzt werden.

A. Einfache Proteine enthalten nur AS (z.B Trypsin, Myosin)

• B. Zusammengesetzte Proteine enthalten AS und eine (oder mehrere) prosthetische Gruppe(n)

• - Nichtproteinkomponente (Metallion oder niedermolekulare organische Verbindung)
• - durch kovalent- oder nichtkovalente Bindung fest an das Protein gebunden
• - verantwortlich für charakteristische Farbe einiger Proteine (Proteine selbst sind farblos)
• (Bsp. Eisen im Hämoglobin = rot)

- Die Molekülmasse eines Proteins ist ein Mass für die Anzahl der Aminosäurereste im Molekül

- Kettenlänge von Proteinen zw. 100-500AS

• - Atomare Masseneinheit = Dalton
• - Durchschnittliches Molekülmasse von einem Aminosäurerest sind 120 Dalton
•    → Masse des Proteins / 120 = Anzahl Aminosäurereste
•    → Anzahl Aminosäurereste * 120 = Molekülmasse des Proteins

• Gestalt:
• - Monomere Proteine bestehen aus einer Peptidkette

- Oligomere Proteine bestehen aus einer geraden Anzahl an Polypeptidketten

• - Globuläre Proteine (Sphäroproteine):
•    - Polypeptidketten sind zu Kugeln zusammengefaltet
•    - Gut wasserlöslich
•    - Vielfältige Funktionen (Enzyme, Transportproteine im Blut wie z.B. Hämoglobin)

• - Fibrilläre Proteine:
•    - Bilden langgestreckte Strukturen
•    - Wasserunlöslich
•    - Ausschliesslich mechanische Funktionen (z.B. als Haarkreatin in Wolle)

• - alle AS sind formal Glycin-derivate
• - H-Atom am α-C-Atom wird substituiert und durch spez. Rest (Seittenkette) ersetzt
•    - α-C-Atom wird zum chiralen Zentrum (daher Glycin einzige nicht chirale AS.!)
• - in Proteinen kommen nur L-AS vor
•    - alle L-AS (exkl. L-Cystein) können der S-Reihe im R/S-System zugeordnet werden

• 1.) AS mit apolaren hydrophoben Seitenketten 
• - Aliphatische Seitenkette:

• - AS mit sekundären Aminogruppe:
•    - die freie Drehbarkeit der N-C-Bindung ist wichtig für die Faltung eines Proteins (α-helix) 
•    - da Prolin in dieser Drehbarkeit eingeschränkt ist, kann es bei einem AS Wechsel zu Prolin in der Kette nicht mehr richtig gefalten werden

• - AS mit S-haltiger Gruppe

2.) AS mit polaren, ungeladenen Seitenketten 

• - Alkoholische Hydroxylgruppen:
•    - Auch ist die glykosidische Bindung dieser Alkoholgruppen mit Zucker eine der möglichen Zucker-Eiweiss-Bindungen in Glykoproteinen

• - Amide:
• Das eng benachbarte O-Atom beeinflusst durch seine Elektronegativität das freie Elektronenpaar am N-Atom, welches dadurch nicht mehr wie bei den Aminen zur Protonenbindung zur Verfügung steht. Die Amidgruppen von Asn und Gln sind somit wohl polar, aber nicht mehr basisch

3.) Saure, negativ geladene Seitenketten

• - Carboxylat in Seitenkette:
•    - beides Carbonsäuren

4.) Basische, positiv geladene Seitenketten

• - Stickstoffbasen:

• Alle AS sind in wässerigem Milieu immer ionisiert und können entweder als Säure (Protonendonor) oder
• als Base (Protonenakzeptor) reagieren

• - Ampholyte:
•    - weisen sowohl saure als auch basische Eigenschaften auf
•    - Protonierung und Deprotonierung der AS und damit deren Ladungszustand hängt von der Konz. der H+-Ionen (pH-Wert) ab.

• - Zwitterion:
•    - Molekül mit zwei oder mehreren Gruppen von denen eine positiv und eine andere negativ geladen ist.
• (Das Molekül ist insgesamt elektrisch neutral)
•    - Das Proton der sauren Carboxygruppe wandert an das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms der basischen Aminogruppe (darum in sich neutral, da das H noch im Molekühl aber an einer anderen Stelle)

Bei vollständiger Protonierung ist Glycin (allg. neutrale AS) eine diprotische Säure und die Kurve zeigt zwei Titrationsstufen, wobei jede Stufe der Abgabe eines Protons entspricht

   - Titrationskurven aller AS, die nur zwei ionisierbare Gruppen (NH2 & COOH) und eine nichtionisierbare Seitenkette besitzen, gleichen in ihrer Form derjenigen von Glycine

• Informationen aus der Titrationskurve:
• - 1. pK-Werte:
•    - je kleiner pK-Wert desto stärker ist die Säure
•    - Bei pH=pK liegt die As zu gleichen Teilen in der protonierten und der deprotonierten Form vor.

• - 2. pH-Regionen, in welchen die As Pufferwirkung hat, entsprechen den flachen Kurvenbereichen
• (Im physiologischen pH-Bereich (pH ~ 7) hat nur His eine nennenswerte Pufferwirkung)
• 3. Am Wendepunkt zwischen den beiden Abschnitten der Titrationskurve (im Beispiel bei pH 6), liegt die As ganz überwiegend in der zwitterionischen Form II (dort wo Ladung 0) vor (neben wenig, aber genau gleich viel I und III). Dieser für jede As charakteristische pH-Wert wird als isoelektrischer
• Punkt bezeichnet. Die As besitzt in diesem Punkt keine elektrische Nettoladung und wandert nicht im elektrischen Feld. Der isoelektrische Punkt (pΙ) entspricht dem arithmetischen Mittel der beiden pK-Werte

•    - der pI von AS mit 2 Carboxylgruppen oder H3N+ entspricht dem arithmetischen Mittel der pK-Werte der beiden Carboxylgruppen oder H3N+ 
• !! abspaltungsreihenfolge:
• (bei aufsteigendem pH)
•    - 1. COOH an Grundgerüst
•    - 2. wen vorhanden, entweder das COOH in der Seitenkette oder wen nicht vorhanden das H3N+ an Grundgerüst
•    - 3. wen vorhanden H3N+ in Seitenkette (ausnahme His & Cys, dort zuerst NH+ oder SH von Seitenkette)

Erfolgt über 3 Stufen:

• 1.) Spaltung der Peptidbindungen:
• - Durch Hydrolyse der Peptidbindungen in starken Mineralsäuren (Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure) (6 N HCl, 110 °C, 22 h) entsteht
• ein As-Gemisch, das als Hydrolysat bezeichnet wird.

• 2. Auftrennung des Aminosäurengemisches (Hydrolysat) durch Ionenaustauschchromatographie.
• (- Anionen- oder Kationenaustauschchromatographie) 
•    - findet in einer Säule statt
•    - Die Chromatographie besteht aus einer Stationären Phase, die je nachdem positiv oder negativ geladen ist
•    - das AS Gemisch besitzt einen best. pH-Wert, dies führt dazu das die einzelnen AS unterschiedlich geladen sind
•    - je stärker sie geladen sind, desto früher binden sie, beim Durchfluss, durch die Säule an die Stationäre Phase (wen stationär negativ, dann binden 3-Fach positiv geladene AS früher)
•    - nun wird der Eluatpuffer in die Säule gegeben (ist ein pH-Gradient, dadurch verändert sich die Ladung der AS und sie lösen sich nach und nach von der Stationäre Phase und werden ausgewaschen)
•    - Das Eluat fliesst nun kontinuierlich unten aus der Säule und trägt die sortierten AS mit sich
•    - Eluat wird immer in gleichen Volumenabständen in Auffanggefässe abgefüllt
•  (- jede AS hat bei definierten Bedingungen ein charakteristisches Eluationsvolumen (dan wen es unten rauskommt) anhand dessen sie identifiziert werden kann)

• 3. Quantitative Bestimmung der einzelnen Aminosäuren:
• - Anfärben der AS durch eine Reaktion mit Ninhydrin (Aminogruppen aller AS reagieren)
• - Es wird ein farbiges Derivat der As hergestellt, das photometrisch bestimmt wird
•    - Farbintensität ist nun Mass für konz.
•    - Gerät generiert einen Kurve wobei jeder Peak für eine spez. AS steht.
•    - menge und höhe der Peaks geben nun Zusammensetzung des Proteins an

Die zwei letzten Stufen werden automatisch in einem As-Analysator durchgeführt.

- Allgemein keine direkte Beziehung zw. AS Zusammensetzung und räumlicher Struktur oder Funktion eines Proteins

- in gewissen Extremfällen hängt aber Struktur und Funktion eines Proteins vom Vorhandensein einer grossen Zahl best. AS-Reste ab:

• 1.) Histon 2A:
• - im Chromatin des Zellkerns
• - stark basisches Protein
• - hoher Gehalt an positiv geladenen Lysin-Resten
•    - kann somit die negativ geladenen Phosphatgruppen der DNA binden
•       (- Posttranslationelle Modifikation der Histone durch Phosphorylierung verhindern ihre Bindung an die DNA)

• Acetylierung der Histone beeinflusst die
• Chromatinstruktur:
• - reduziert die positive Ladung des Histons
• - verändert den Kontakt zwischen dem Histon und dem benachbarten Histon
• - verändert die Affinität zwischen regulatorischen Proteinen und Histonen

• --> Perlschnur lockert sich

• 2.) Kollagen:
• - Faserprotein des Bindegewebes
• - wasserunlöslich und ausschliesslich mechanische Funktionen
• - langgestreckte, seilartige, Strukturen --> meisst aus Aggregaten vieler Polypeptidketten
•    - möglich durch Gehalt an AS: Gly, Pro, HO-Pro, HO-Lys (HO-Pro & HO-Lys sehr selten in anderen Proteinen, posttranslationelle Modifikation --> hydroxylierung der Peptidkette. Dienen als Ansatzpunkte für kovalente Quervernetzungen)

• 3.) Keratin:
• - bildet Haare und andere Hautanhangsgebilde
• - sehr viel Cystin + Cystein
•    - bilden Disulfidbrücken, welche einzelne Polypeptidketten zusammenhalten (geben dem Haar mechanische Festigkeit)

• Die Ladungseigenschaften der Proteine leiten sich von den Ladungseigenschaften der As ab,
• soweit diese beim Einbau in die Polypeptidkette erhalten bleiben.

• - Geladene Gruppen in einem Oktapeptid bei physiologischem pH-Wert (7):
•    - Peptidbindung (-NH-CO-) elektrisch neutral und hat weder basische noch saure Eigenschaften
•      - NH2 und COOH-Gruppen des Stammes (mit Ausnahme derjenigen an den Enden) keinen Einfluss auf Ladung eines Polypeptids

--> Ladungseigenschaften von Peptiden oder Proteinen werden demnach in erster Linie durch die Ladungsverhältnisse an den Seitenketten bestimmt

• - Ladung der einzelnen Gruppen abhängig von pH und ihrem pKs
• - je kleiner pK-Wert desto stärker ist die Säure
• - Wie AS auch Proteine Ampholyte (je nach pH der Lösung, Gesamtladung positiv, negativ oder null)
• - Proteine besitzen auch isoelektrischen Punkt

• - pH-Titration von Peptiden oder Proteinen:
•    - entspricht der Summe der Titrationskurven aller ionisierbaren Gruppen
•    - bei vielen Proteinen Pufferwirkung im physiologischen Bereich (v.a. durch Histidin)
•       - wichtige Puffer im Blut und in den Zellen

• - pH-Titration von Peptiden oder Proteinen:
•    - entspricht der Summe der Titrationskurven aller ionisierbaren Gruppen

•    - bei vielen Proteinen Pufferwirkung im physiologischen Bereich (v.a. durch Histidin)
•       - wichtige Puffer im Blut und in den Zellen

• 2. Trägerelektrophorese:
• - Probelösung wird auf Pufferlösung getränkten Träger aufgetragen (Trägerstreiffen enthält pH-Gradient)
• - Träger wird Gleichspannung ausgesetzt
• - Moleküle wandern im elektrischen Feld Richtung Anode oder Katode (je nachdem wie sie geladen sind)
• - Der pH-Wert der Pufferlösung, bei dem das Protein nicht mehr wandert, entspricht dem isoelektrischen Punkt (ganz spez. für jedes Protein)

• SDS-Page:
• (Sodium Dodecyl Sulfate PolyAcrylamide Gel Elektrophorese)

• Probenvorbereitung (Denaturierung):
• - zur Proteinprobe wird SDS im Überfluss hinzugegeben (Proteine werden negativ geladen)
• - erhitzen auf 100°C (zerstören der Sekundär-und Tertiärstruktur, durch Unterbrechen von H-Brücken --> Proteine werden linear)
• - Reduktion durch DTT im Probenpuffer (Spaltung von Disulfidbrücken)

• Gel:
• - Polyacrylamide Gel bildet beim fest werden versch. grosse "Taschen"
• - versch. Proben werden am minus-pol (Katode) aufs Gel geladen
• - elektrische Spannung wird angelegt
• - Wanderung der negativ geladenen Proben durch das Gel zum plus-pol (Anode)
• --> die verschieden grossen Moleküle bleiben beim wandern in den, vom Gel gebildeten, Taschen hängen (die grössten werden am stärksten gebremst und wandern somit am langsamsten)

• Anfärben:
• - mittels Coomassie-Brillant-Blau
• - lagert sich an den basischen Seitenketten der AS an und färbt damit Proteine unspezifisch an

• Kontrolle:
• - Proteinmarker mit bekanntem Molekulargewicht (MW) werden mitlaufen gelassen um das MW von Proteinen in den analysierten Proben zu identifizieren

• Affinitätschromatographie (HPLC):
• - Säule ist gefüllt mit Liganden (z.B Antikörper), welche spezifisch gegen das Protein gerichtet sind, das man haben möchte
• - Probelösung mit Proteingemisch wird in Säule eingefüllt
• - Säule wird gespült und somit alles was nicht an einen Liganden gebunden ist, ausgespült
• - Nun wird ein Überschuss an Liganden hinzugegeben um das gewünschte Protein herauszuspülen (Eluat)

• "genauer Ablauf siehe Quantitative Bestimmung der einzelnen Aminosäuren"

• - AS-Analyse gibt nur Auskunft darüber aus welchen und wie vielen AS ein Protein besteht
• --> !! Jedoch Proteine mit gleicher AS Zusammensetzung aber ungleicher Sequenz der AS sind NICHT identisch !!

- Reihenfolge AS also genau so essentiell für Eigenschaft und Funktion eines Proteins

Prinzip der Bestimmung der AS-Sequenz:

• 1. Herstellung von Bruchstücken (kürzere Peptide):
• Die direkte Bestimmung der Sequenz (Edman-Abbau) ist nur bei kürzeren Peptiden möglich.
• Das Protein muss daher chemisch oder enzymatisch an spezifischen Stellen gespalten werden.
• (Beispiel: Enzymatische Spaltung mit Trypsin und Chymotrypsin)
• 2. Isolierung der Peptide (Chromatographie)
• 3. As-Sequenzbestimmung der Peptide:
• Chemisch (Edman-Abbau) oder enzymatisch wird von einem Ende her eine As um die andere
• abgespalten und identifiziert. Hierfür gibt es heute Maschinen (Sequenatoren), die einen solchen
• Abbau von kürzeren Peptiden zum Teil automatisch durchführen.

• 4. Bestimmung der Reihenfolge der Peptide (Protein wurde ja in kleinere Peptide aufgespalten, die nun auch noch geordnet werden müssen):
• Durch Vergleichen zweier Sätze (Beispiel Trypsin und Chymotrypsin) von überlappenden
• Peptidbruchstücken muss man die einzige widerspruchsfreie Anordnung suchen. (es ist mehr als nur ein Protein zu Beginn vorhanden das zerkleinert wird. So kann man die verschiedenen Bruchstücke anschauen und nach Überlappungen suche, da nie alle Proteine gleich zerkleinert werden)

• Bsp. Pentapeptid
• - a) Nummerierung vom N-Terminus zum C-Terminus entsprechend der Richtung der Biosynthese
• - b) Dreibuchstabenabkürzungen für As

a)		1	2	3	4	5
b)	H2N	Ala	Ser	Ile	Phe	Lys	COOH

• - Absolut definierte Sequenz:
•    - Die lineare Genstruktur findet ihr direktes Abbild in der linearen Proteinstruktur

• - Vergleich von Proteinstrukturen:
•    - Sequenzvergleiche verschiedener Proteine ermöglichen den Verwandtschaftsgrad zwischen diesen
• Proteinen zu ermitteln
• (Verfeinerung der Proteinanalysen werden unter dem Begriff "Proteomics" zusammengefasst --> siehe Paper von Prof. M. Hottinger Molekularbiologie 2)

• Bsp. Vergleich Myoglobin und Hämoglobin
• - Ähnlichkeit in der AS-Sequenz zwischen Globinketten
• verschiedener Spezies oder innerhalb derselben Spezies wird Sequenzhomologie genannt. Sie ist die Folge des gemeinsamen evolutionären Ursprungs dieser Protein

• Ergebnisse solcher Sequenzvergleiche:
• - Die Ähnlichkeit in der Sequenz nimmt mit evolutionärer Distanz ab
• - Aufgrund solcher Daten und Überlegungen lassen sich Stammbäume verschiedener Proteine
• aufstellen

• Molekulare Krankheiten (Erbkrankheiten)
• Ein Protein kann durch eine Mutation in einer Weise verändert werden, dass es seine biologische
• Funktion nicht mehr oder nur noch teilweise erfüllen kann.
• Molekulare Krankheiten spielen in der Veterinärmedizin eine grosse Rolle. Sie können oft durch
• Sequenzuntersuchungen eindeutig erklärt werden. Schon der Austausch einer As kann zur Manifestation
• einer solchen Krankheit genügen. Die am besten untersuchte molekulare Krankheit
• beim Hund, ist die Phosphofruktokinaseinsuffizienz (Details siehe im 2. und 3. Studienjahr)

1. Die kovalente Struktur (Primärstruktur=As Kette) bestimmt vollständig und allein die Kettenkonformation (die Abfolge der AS definiert wie die weiteren Strukturen aussehen werden)

• 2. Die native Konformation entsteht, weil sie unter den in der Zelle herrschenden Bedingungen die wahrscheinlichste Konformation, das heisst, diejenige mit kleinster freier Enthalpie, ist. (die Natur sucht immer den Energieärmsten zustand, wenn man weiss wie dieser aussieht, weiss man auch wie die Konformation aussieht)

Konsequenz: Es sollte möglich sein, die native Konformation aufgrund der As-Sequenz vorauszusagen.

• - Faltungsbestimmende Faktoren:
•       - Intramolekularer Vorgang 
•       - Wechselwirkung zw. versch. oft weit auseinander gelegenen Abschnitten in der Polypeptidkette
•       - Haupt und Seitenkette beteiligt

•       1.) Stereochemische Eigenschaften der Kette (Raumbeanspruchung, Drehbarkeit der Bindungen --> Bsp. Prolin als Helix-Brecher weil Bindung nicht mehr drehbar ist)

•       2.) Wechselwirkungen die die Faltung stabilisieren
•             - zw. polaren Gruppen: H-Bindungen
•             - zw. apolaren Gruppen: Hydrophobe Effekte
•             - zw. geladenen Gruppen: Elektrostatische Wechselwirkungen
•             - bei einzelnen (besonders extrazellulären Proteinen kommen noch kovalente intramolekulare Querverbindungen dazu: Disulfidbindungen

•    - Prinzip der Faltung:
•      - zwei entgegengesetzte Tendenzen
•      - wirkliche Faltungsform entspricht Kompromiss beider Tendenzen
•      1.) Hauptkette mit regelmässigen Strukturen:
•            - regelmässiges Faltungsmuster
•      2.) Seitenketten mit unregelmässiger Struktur (ist ja je nach AS unterschiedlich):
•           - unregelmässiges Faltungsmuster

• - Peptidbindung stellt Resonanzsystem dar, das durch zwei mesomere Formen (Grenzstrukturen) beschrieben werden kann
• Konsequenzen:
• 1.) sterische:
•    - durch partiellen (nur teilweise vorhanden) Doppelbindungscharakter der C-N-Bindung wird deren freie Drehbarkeit eingeschränkt 
•       --> Peptidbindung wird Planar (freie Drehbarkeit nur noch zw. C-C und N-C aussen)

Peptidkette kann als Reihe von Ebenen angesehen werden

• 2.) chemische:
•    - Partialladung am O- und N-Atom der Peptidbindung durch Elektronendelokalisation
•       - Das O-Atom, partiell negativ geladen, wird nucleophiler und somit zu einem H-Akzeptor
• (Ein solches O-Atom zeigt erhöhte Tendenz, H-Bindungen zu bilden)
•       - Das N-Atom, partiell positiv geladen, wird weniger nucleophil und somit zu einem H-Donor
• (Das N-gebundene H-Atom zeigt demnach eine erhöhte Tendenz, H-Bindungen einzugehen)

• Paulin Prinzip:
• 1.) Wahrung der Planarität der Peptidbindung
• 2.) Ausbildung einer maximalen Anzahl von H-Bindungen zwischen den Amidbindungen (eine H-Bindung pro As-Rest)
• 3.) Optimale Bindungslängen und Bindungswinkel für H-Bindungen.

• - Anforderungen sind durch α-Helix und β-Faltblatt erfüllt:
•    - α-Helix:
•       - besitzt makroskopisches Dipolmoment für die gesamte Struktur (C-Terminus negativ, N-Terminus positiv)

•       - 1. Die Peptidkette ist schraubenartig (helical) rechtshändig aufgewunden
•       - 2. Die H-Bindungen innerhalb derselben Kette stehen mehr oder weniger parallel zur Helixachse.
• Eine Peptidgruppe bildet immer mit der viertnächsten Peptidgruppe eine H-Bindung

•        - 3. Die starren Ebenen der Peptidbindungen sind parallel zur Längsachse der Helix angeordnet.
• Die Helix bildet keinen Zylinder, sondern eine eckige Struktur (α-C-Atome in den Ecken).
•    - Auf eine Windung kommen 3.6 As-Reste
•    - Die Ganghöhe ist 5.4 Å

•        - 4. Die Seitenketten sind radial nach aussen orientiert.
• !! MALEK !! --> Met, Ala, Leu, Glu, Lys tendieren sehr stark zu einer α-Helix-Form

•    - β-Faltblatt:
•       - Peptidkette ist fast vollständig gestreckt
•       - Entweder parallel oder antiparallel angeordnet

•       - H-Bindungen zwischen den verschiedenen Ketten stehen senkrecht zur Kettenrichtung
•       - Die Abstände der Ketten entsprechen der Länge der H-Bindungen (2.8 A)
•       - Pro Aminosäurerest gibt es eine H-Bindung
•       - Die Aminogruppen (Peptidbindungen) der verschiedenen Stränge bilden eine Zickzack-Ebene, ein Faltblatt

•       - Die Seitenketten befinden sich alternierend über oder unter der Faltblattebene
•    - Andere Sekundärstrukturen:
•       - Π-Helix
•         - Kommt in der Natur selten vor
•         - Pro Windung 4.4 Aminosäuren
•         - In Proteinen findet man nur ab und zu Π-Helixe, die sich an alpha-Helixe anschliessen, aber nie längere

•       - Β-Schleife
•         - Häufig bei Richtungsänderungen der Polypeptidkette in kompakten, globulären Proteinen
•         - Die Peptidkette ändert ihre Richtung um fast 180 Grad

   - Greek key motif

• - Anordnung der gesamten Polypeptidkette im Raum 
• - stabilisiert durch Wechselwirkungen zw. AS-Resten (können in Sequenz weit voneinander entfernt sein)
•    - Bsp. von Bindungen zw. Seitenketten in Proteinen
•       - a) Salzbindung zwischen positiv und negativ geladenen Gruppen
•       - b) Wasserstoffbindungen zwischen Tyrosinrest und Carboxylatgruppe
•       - c) Hydrophobe Effekte zwischen apolaren Aminosäureresten
• (zum Beispiel: Isoleucin, Alanin, Phenylalanin)
•       - d) Disulfidbindung (kovalent)

• - Tertiärstruktur von globulären Proteinen lassen eine Innen- und Aussenseite unterscheiden:
•    - Aussenseite:
•       - Die polaren As-Reste haben die Tendenz, den höchstmöglichen Kontakt mit dem Lösungsmittel Wasser zu suchen

•    - Innenseite:
•       - Die apolaren As-Reste hingegen zeigen die Tendenz Wasser Kontakt nach Möglichkeit zu vermeiden (hydrophober Effekt)

• --> Die ausgebildete Struktur ist der Kompromiss beider Tendenzen und führt dazu, dass Proteinmoleküle eine mizelläre Struktur haben
• - Wichtige Strukturen im Innern eines Proteinmoleküls:
• 1. Die hydrophoben Wechselwirkungen (durch das Wasser erzwungen)
• -->strukturstabilisierender Faktor (ungerichtet)
• 2. Die H-Bindungen (in max. möglicher Anzahl)
• -->strukturbestimmend und verantwortlich für innere Ordnung im Molekül (gerichtet)
•    - durch Fixierung des Innern resultiert eine ebenso eindeutige Fixierung der äusseren Form

• - Äussere Gestalt der Proteine:
•    - Die vorwiegend polaren äusseren As-Reste stehen in Kontakt mit dem Lösungsmittel Wasser und sind verantwortlich für:
•       - 1. die im Allgemeinen gute Wasserlöslichkeit der Proteine
•       - 2. die Elektrolyteigenschaften durch die geladenen Gruppen an der Oberfläche der Proteine
•       - 3. die biologische Spezifität der Proteine
•    - durch versch. Oberflächenbeschaffenheit grosse unterschiede in Wechselwirkung mit anderen Molekülen
•       - Proteinmoleküle gehen mit anderen Molekülen nur dann
• spezifische Wechselwirkungen ein, wenn das Protein und das Molekül räumlich komplementär strukturiert (wen sie ineinander passen) sind.
•       - Die strukturelle Komplementarität ist ein fundamentales Prinzip der Organisation der lebenden Materie (molekulare Arbeitsteilung und Spezialisierung --> Grundlage für supramolekulare & zelluläre Spezialisierung und Differenzierung)
• - Informationen über Tertiärstruktur lassen sich nur durch experimentelle Messungen erhalten (da Seitenketten massgeblich beteiligt):

   - NMR --> Messung der magnetischen Kernresonanz (nur bei kleineren Proteinen)

•    - Röntgenkristallographie:
•       - Auflösungsvermögen = 1Angström
•       - zugabe von Salzen senkt die Löslichkeitsgrenze des Proteins unter dessen konz.
•       - elektronen der bestrahlten Atome streuen Röntgenstrahlen
•       - Amplitude (Intensität) ist proportional zur Anzahl von dessen Elektronen (Bsp. C-Atom streut 6-mal stärker als ein H-Atom)
•       - Die Wellenlänge des verwendeten Röntgenlichts ist periodisch ungefähr in Abständen zwischen den Streuzentren im Kristallgitter angeordnet
•       - Die gestreuten Wellen können sich wieder rekombinieren und werden durch Interferenz verstärkt oder gelöscht (Typisches Beugungsdiagramm)
•       - darstellen der Elektronendichte im Raum (mit Hilfe des Beugungsdiagramms und Computern)
•       - Stellen grösster Dichte entsprechen Position der Atome
•       - Man kann damit einzelne Atome darstellen

•       - Das erste Protein das mit dieser Methode dreidimensional abgebildet werden konnte war Myoglobin

• - 1. Das Molekül ist kompakt (keine Zwischenräume im Innern)
• - 2. Die Hauptkette besitzt zu 75% die Konformation der α-Helix (Es gibt im Molekül 8 Helixabschnitte,
• die mit A bis H bezeichnet werden)
• - 3. Eine Furche im Myoglobin bildet die Hämtasche
•    - Bsp. für Komplementarität: Hämtasche ist vorwiegend mit apolaren Resten ausgekleidet und ermöglicht so eine optimale Bindung der ebenfalls apolaren Hämgruppe

Die meisten Proteine kommen in aggregierter Form vor, bestehen aus mehreren Untereinheiten:

• - Fibrilläre Proteine, polymere Aggregate
•    - Wasserunlöslich
• - Glomeruläre Proteine, oligomere Aggregate
•    - Wasserlöslich

• Voraussetzungen für die Bildung oligomerer Proteine:
• - Kontaktflächen müssen räumlich komplementäre Struktur haben (Zusammenhalt Ketten) und abgesättigt sein (also zu keiner weiteren Bindung mehr fähig sein weil schon alles gebunden)
• - spontane Selbstorganisation
• - Zusammenhalt der Untereinheiten durch Sekundärbindungen:
•    - Hydrophobe Effekte
•    - Polare Bindungen: H-Bindungen, elektrostatische Wechselwirkungen
•    - Disulfidbindungen

--> Am wichtigsten sind dabei die hydrophoben Effekte, vor allem infolge der Kooperation zahlreicher Kontakte

• - Übergang von einem geordneten, biologisch aktiven Faltungsmodus zu einem weniger geordneten, biologisch nicht aktiven Faltungsmodus
• - Es kommt dabei nicht zu Änderungen der kovalenten Struktur der Polypeptidkette

• - Proteine werden denaturiert, sobald die unter Bedingungen vorliegen, bei denen die native Konformation nicht mehr die stabilste ist

• - Physiologische Bedeutung:
•    - Wichtig für die Verdauung von Nahrungsproteinen
•       - Wird erreicht durch Kochen, Braten oder durch die Salzsäure im Magensaft
•    - Bei Sterilisation von Textilien und Geräten, wie auch bei Desinfektion werden Mikroorganismen abgetötet durch Zerstörung von Membranen und durch Denaturierung der Proteine