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  • Es gibt 20 Standardaminosäuren, die regelmäßig in Proteinen vorkommen. Daneben existieren noch 3 weitere Aminosäuren, die während der Proteinsynthese (Translation) direkt in Proteine eingebaut werden, aber weitaus weniger universell sind. Welche Aminosäur

    Es gibt 20 Standardaminosäuren, die regelmäßig in Proteinen vorkommen. Daneben existieren noch 3 weitere Aminosäuren, die während der Proteinsynthese (Translation) direkt in Proteine eingebaut werden, aber weitaus weniger universell sind. Welche Aminosäuren sind das und wo kommen sie vor?

  • Der schwefelhaltigen Aminosäure Cystein kommt eine besondere Bedeutung bei der Stabilisierung von Proteinstrukturen zu. Welche? Wie heißt die zweite schwefelhaltige Standardaminosäure und warum kann sie die wichtige Funktion des Cysteins nicht wahrnehmen?

    Cystein besitzt eine terminale Sulfhydrylgruppe (–SH). Diese kann oxidiert werden und mit einer zweiten Cystein-SH-Gruppe eine sehr stabile, kovalente Disulfidbrücke ausbilden. Solche Disulfidbrücken kommen allerdings vorwiegend in extrazellulären Proteinen vor, da innerhalb der Zelle reduzierende Bedingungen vorherrschen, die eine Disulfidbrücke sofort zu zwei Sulfhydrylgruppen reduzieren würden.Methionin ist die zweite schwefelhaltige Aminosäure. Sie kann keine kovalente Disulfidbrücke eingehen, da ihr Schwefelatom nicht endständig ist, sondern von einer Methylgruppe „blockiert“ ist.

  • Glycin und Prolin stellen eine gewisse Ausnahme unter den Standardaminosäuren dar. Warum?

    Glycin ist die einfachste der Aminosäuren. Da ihr Rest ein H-Atom ist, existieren von Glycin keine zwei Stereoisomere; folglich gibt es kein L-Glycin, sondern einfach nur Glycin. Glycin besitzt in Proteinen mit engen Strukturen eine wichtige Funktion, da der Seitenrest –H der kleinste ist. Glycin liegt deshalb z.B. in der engen Kollagenhelix nach innen orientiert vor. Die Seitenkette des Prolins vollzieht einen Ringschluss mit dem Stickstoffatom der Aminogruppe und besitzt somit eine sekundäre und keine primäre Aminogruppe. Demnach ist Prolin keine Amino-, sondern eine Iminosäure. Trotzdem wird Prolin vereinfachend stets zu den anderen Aminosäuren mit hinzugerechnet. Prolin kommt in Proteinen eine wichtige Funktion zu, da es an einen „Knick“ im Verlauf der Proteinkette erzeugt.

  • Derivate von Aminosäuren nehmen in Organismen wichtige Funktionen auch außerhalb von Proteinen wahr. Welche? Nennen Sie einige Beispiele!

    Besonders bei ihrer Kommunikation untereinander greifen Zellen gerne auf den großen Pool an Aminosäuren zurück. Viele Neurotransmitter, Hormone und zelluläre Botenstoffe sind Derivate von Aminosäuren oder gar die Aminosäuren selbst. Bsp: Glycin und Gluatminsäure fungieren auch als Neurotransmitter. Derivate von Aminosäuren sind β-Aminobuttersäure (GABA), Dopamin (beides auch Neurotransmitter), Thyroxin (Hormon) und Histamin (Gewebshormon).

    Des Weiteren dienen Aminosäuren als Ausgangssubstanzen für S-Adenosylmethionin (ein Methylgruppendonor), Melanin (Pigment von Haaren und Haut, besteht aus polymerisierten Tyrosinderivaten) oder Lignin (das Holzpolymer).

  • Was sind die strukturellen Unterschiede zwischen einer α-Helix und einer Kollagenhelix?

    Die α-Helix ist rechtsgängig mit 3,6 Aminosäuren pro Helixwindung. Die Kollagenhelix ist linksgänging und steiler: Hier braucht es nur 3 Aminosäuren pro Helixwindung. Eine einzelne α-Helix kann sich mit anderen α-Helices „superspiralisieren“; die Kollagenhelix dagegen ist immer mit 2 weiteren Helices superspiralisiert.

    Die α-Helix ist eine sehr häufig vorkommende Sekundärstruktur. Sie wird universell eingesetzt und kommt in sehr vielen, äußerst unterschiedlichen Proteinen vor. Die Kollagenhelix kommt hingegen ausschließlich in den Kollagenproteinen des Bindegewebes vor.

  • Wie nennt man den Bereich in einem Protein zwischen zwei definierten Sekundärstrukturen, in dem die Polypeptidkette ohne erkennbare Struktur verläuft? Welche Funktion hat dieser?

    Der Proteinbereich zwischen zwei Sekundärstrukturen wird Random-Coil genannt. Er hält die einzelnen Sekundärproteinabschnitte „auf Distanz“, sorgt aber auch für eine Beweglichkeit dieser recht fixen Bestandteile untereinander und trägt damit zur Flexibilität des gesamten Proteins bei.

  • Welche Sekundärstrukturen eignen sich für die Verankerung von Proteinen in Zellmembranen?

    Zur Verankerung in einer Zellmembran dient vorwiegend die α-Helix, bei der dann hydrophobe Seitenketten nach außen zeigen und die Helix im lipophilen, inneren Bereich der Zellmembran verankern.

    Seltener – vorwiegend bei Bacteria, aber auch in Chloroplasten und Mitochondiren - kommt das β-Barrel als Membrananker von Proteinen vor.

  • Welche Kräfte stabilisieren Proteinstrukturen und welche dieser Kräfte trägt faktisch am meisten zur Stabilität von Proteinstrukturen bei?

    Im Wesentlichen existieren zwei Stabilisierungskräfte: Kovalente und nicht kovalente Bindungen. Auch wenn die kovalenten Bindungen sehr viel stärker und belastbarer sind als nicht kovalente Bindungen, ist ihr Beitrag zur Proteinstabilität eher klein, da sie quantitativ nur recht selten vorkommen, und das zudem fast ausnahmslos in extrazellulären Proteinen. Weitaus bedeutender für die Proteinstabilität sind nicht kovalente Bindungen (Ionenbindungen und Wasserstoffbrücken-Bindungen) einfach deshalb, weil sie weitaus häufiger vorkommen.

  • Worin liegt der Vorteil, dass sich einzelne, fertige Proteine zu übergeordneten Proteinkomplexen zusammenschließen?

    Im Wesentlichen gibt es zwei Vorteile für die Ausbildung größerer Proteinkomplexe – sogenannter Quartärstrukturen – aus einzelnen, fertigen Proteinen.

    Kooperativität: Dies betrifft vorwiegend Proteine, die zwar alle die gleiche Funktion haben, die sich aber zusammengelagert gegenseitig beeinflussen können und in ihrer Funktion damit verstärken können („Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Einzelbausteine“). Ein Beispiel hierfür ist die kooperative Sauerstoffbindung an die vier Untereinheiten des Hämoglobins.

    Funktionelle Proteinkomplexe: Hier werden unterschiedliche Proteine mit unterschiedlichen Aufgaben zu funktionellen Komplexen zusammengeschlossen. Bei komplexen Enzymreaktionen zum Beispiel, die aus vielen Einzelschritten bestehen, hat dies den Vorteil, dass Zwischensubstrate direkt an die Enzymuntereinheit weitergereicht werden können, ohne dass die Substrate recht ziellos zwischen den einzelnen Enzymen hin- und her diffundieren müssen. Beispiele hierfür sind der Pryruvat-Dehydrogenase-Komplex oder auch die Atmungskette.

  • Welche Methoden zum Proteinnachweis gibt es? Erläutern Sie prinzipielle Unterschiede.

    Proteine können durch verschiedene, spezifische Färbemethoden nachgewiesen werden. Dies können Farbstoffe sein, welche sich spezifisch an Proteine anlagern und deren Absorptionsmaximum sich dann verschiebt (z.B. Coomassie-Blau) oder Kupferionen-Komplexe, welche mit den Peptidbindungen der Proteine farbige Komplexe bilden (z.B. Biuret-Reaktion, Methode nach Lowry). Die Proteine werden hierbei denaturiert. Eine native Methode zur Proteinbestimmung ist die Messung der Absorption bei 280 nm. All diese Methoden können nicht zur Unterscheidung von Proteinen verwendet werden. Der Nachweis bestimmter Proteine erfolgt mit Hilfe eines Aktivitätstests oder mit immunologischen Methoden (Western-Blot, ELISA).

  • Welche Eigenschaften von Proteinen können zu deren Reinigung herangezogen werden?

    a) Ladung → Ionen-Austauschchromatographie.

    b) Anteil exponierter hydrophober Oberfläche → Hydrophobe Interaktions-Chromatographie.

    c) Größe → Größenausschlusschromatographie (Gelfiltration)/Ultrazentrifugation

    d) Löslichkeit → Aussalzen/Präzipitation durch Entzug der Wasserhülle. Wird erreicht durch Zugabe von Salzen oder organischen Lösungsmitteln. Stehen Antikörper in ausreichender Menge zur Verfügung können auch diese zur selektiven Ausfällung eines Proteins verwendet werden (Immunpräzipitation).

    e) Affinität → Affinitätschromatographie durch spezifische Bindung an immobilisierte Liganden oder Antikörper.

  • Was ist die Funktion von SDS in der Polyacrylamid-Gelelektrophorese (PAGE)?

    Proteine unterscheiden sich bezüglich Ladung und dreidimensionaler Struktur. Durch das SDS werden die Proteine denaturiert und erhalten eine gleichmäßige, negative Ladung. Hierdurch werden Form (denaturierte, unstrukturierte Proteinkette) und Ladungsdichte auch unterschiedlicher Proteine vergleichbar und die Trennung im elektrischen Feld der SDS-PAGE erfolgt nur aufgrund unterschiedlicher Größe.

  • Mit welchen Methoden können Strukturen von Proteinen bestimmt werden? Nennen Sie Vorzüge der unterschiedlichen Methoden.

    Mit Hilfe der Massenspektrometrie werden Molekülmassen bestimmt. Eine Voraussetzung für deren Messung ist, dass die Substanzen in die Gasphase gebracht werden können. Hierfür gibt es unterschiedliche Methoden, z.B. die MALDI-Methode. Diese ist besonders für große Biomoleküle geeignet. Zunächst werden die zu untersuchenden Stoffe in eine Matrix eingeschlossen. Durch Bestrahlung dieser Matrix mit einem Laser werden die zu untersuchenden Stoffe „herausgedampft“ (Desorption) und somit in die Gasphase überführt.

  • Was wird bei der Massenspektrometrie gemessen? Was ist die Funktion des Lasers bei der MALDI-Methode?

    Proteinstrukturen werden vor allem durch Röntgen-Kristallographie und Kernmagnet-Resonanzspektroskopie (NMR) bestimmt.

    Bei der Röntgen-Kristallographie gibt es keine Beschränkung in der Molekülgröße, prinzipiell kann von allen Stoffen deren dreidimensionale Struktur bestimmt werden – sofern diese in einem Kristall vorliegen. Die Erzeugung solcher Kristalle ist meist das Hauptproblem, da die Proteine in hoher Konzentration und Reinheit vorliegen müssen. In einem Kristall ist die Beweglichkeit der Proteine eingeschränkt. Die Zugabe von Liganden, welche eine Konformationsänderung des Proteins bewirken, können den Kristall „schmelzen“ lassen.

    Mit der NMR können Proteine in Lösung untersucht werde. Strukturierte und rigide Bereiche können klar gegeneinander abgegrenzt werden. Es können auch Faltungs- bzw. Entfaltungsvorgänge untersucht werden. Ebenso kann die Bindung von Liganden oder anderer Proteine untersucht werden. Da bei der NMR die jeweils unterschiedlichen chemischen Umgebungen einzelner Atomkerne bestimmt werden (müssen), steigt die Komplexität mit der Proteingröße. Für Strukturbestimmungen liegt die Obergrenze z. Zt. bei etwa 60 kDa. Für sehr große Partikel bzw. Komplexe (z.B. Virushüllen, Kernporenkomplex, Ribosom) können strukturelle Informationen mit Hilfe der Gefrier-Elektronen-Mikroskopie (cryo-electron microscopy) oder der Atom-Kraft- oder Raster-Kraft-Mikroskopie (atomic force microscopy) gewonnen werden. Diese Strukturinformationen sind jedoch recht grob.

Biochemie - Zellbiologie
Katharina Munk, Constanze Abröll, Thomas Kurth, Thomas Langer, Regina Nethe-JaenchenBiochemie - Zellbiologie

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