Proteinstruktur

Proteine sind hierarchisch organisiert, von der Aminosäuresequenz bis hin zu Multi-Untereinheiten-Komplexen, und diese Architektur verleiht jedem Protein seine spezifische Funktion.

Definition

Proteinstruktur ist die räumliche Anordnung der Atome eines Polypeptids, beschrieben auf vier Ebenen: Primärsequenz, Sekundärelemente wie Alpha-Helices und Beta-Faltblätter, die tertiäre dreidimensionale Faltung einer einzelnen Kette und die quartäre Assoziation von Untereinheiten.

Scope

Dieses Thema behandelt die vier konventionellen Ebenen der Proteinstruktur – primär (Sequenz), sekundär (lokale wasserstoffbrückengebundene Muster), tertiär (die vollständige Faltung einer Kette) und quartär (Zusammensetzung mehrerer Ketten) – zusammen mit den Bindungen und Wechselwirkungen, die jede Ebene definieren, sowie die experimentellen Methoden zur Strukturbestimmung.

Core questions

• Was stabilisiert die Alpha-Helix und das Beta-Faltblatt?
• Wie ist die Primärsequenz ausreichend, um die Tertiärfaltung zu spezifizieren?
• Was ist der Unterschied zwischen faserförmigen und globulären Proteinen?
• Wie werden Proteinstrukturen experimentell bestimmt?

Key theories

Wasserstoffbrückengebundene Sekundärstrukturen

Pauling und Corey sagten die Alpha-Helix und das Beta-Faltblatt aus der Planarität der Peptidbindung und der Geometrie der Wasserstoffbrückenbindung des Rückgrats voraus, bevor beide beobachtet wurden, und etablierten damit die physikalische Grundlage der regulären Sekundärstruktur.

Mechanisms

Die Peptidbindung ist planar und partiell doppelgebunden, was die Rotation des Rückgrats auf die Phi- und Psi-Diederwinkel beschränkt, die durch das Ramachandran-Diagramm abgebildet werden. Sekundärstrukturen bilden sich, wenn Amid- und Carbonylgruppen des Rückgrats in regelmäßigen Mustern Wasserstoffbrückenbindungen eingehen; die Tertiärstruktur wird durch den hydrophoben Effekt stabilisiert, der unpolare Seitenketten verbirgt, sowie durch Wasserstoffbrückenbindungen, Salzbrücken, Van-der-Waals-Kontakte und gelegentliche Disulfidbrücken.

Clinical relevance

Die Strukturbestimmung mittels Röntgenkristallographie, NMR und Kryo-Elektronenmikroskopie ist die Grundlage für das strukturbasierte Design in Chemie und Materialwissenschaften; die computergestützte Strukturvorhersage ist zu einem wichtigen Werkzeug geworden, um Sequenz und Faltung in Beziehung zu setzen. Diese Darstellung ist deskriptiv, nicht präskriptiv.

History

Die Alpha-Helix und das Beta-Faltblatt wurden 1951 von Pauling und Corey vorgeschlagen; Kendrews Myoglobin-Struktur von 1958 war das erste Proteinmodell mit atomarer Auflösung, kurz darauf folgte Perutz' Hämoglobin, was die vorhergesagten Sekundärstrukturen bestätigte und die Strukturbiologie einleitete.

Key figures

• Linus Pauling
• Robert Corey
• John Kendrew
• Max Perutz
• G. N. Ramachandran

Seminal works

• pauling1951
• kendrew1958
• nelson2021

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen der Alpha-Helix und dem Beta-Faltblatt?

Die Alpha-Helix ist eine einzelne Kette, die sich mit Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb desselben Rückgratabschnitts windet, während das Beta-Faltblatt gestreckte Stränge Seite an Seite ausrichtet, die über die Stränge hinweg wasserstoffbrückengebunden sind.

Warum ist die Peptidbindung planar?

Resonanz verleiht der C–N-Peptidbindung einen partiellen Doppelbindungscharakter, der eine Rotation um sie verhindert und die sechs Atome der Peptidgruppe in einer Ebene hält.