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Was verstehen Sie unter dem Begriff „Struktur eines Moleküls“ bzw. in welchem Zusammenhang stehen die Begriffe „Struktur“, „Geometrie“ und „chemische Funktionalität“?
Struktur: Verbindung von Funktion und Chemie (Mit gleichen „Bausteinen“ kann man viele verschiedene Dinge bauen). Jede Struktur hat eine Funktion. Struktur entsteht aus der Anordnung von Elektronen.
Geometrie: räumliche Anordnung der Atome, insbesondere die Winkel zwischen den Bindungen und räumliche Ausrichtung der Atome zueinander.
Durch das Schlüssel-Schloss-Prinzip können mehrere komplementäre Strukturen, die räumlich zueinander passen, eine bestimmte chemische Funktion erfüllen.
Bei Proteinen spielt die Struktur, ihre Aktivität und die Wechselwirkungen mit anderen Proteinen eine große Rolle. Kleine Änderungen in der Struktur, wie das Anhängen einer Acetylgruppe, können die Funktion eines Proteins stark verändern und somit auch das biochemische Verhalten.
Auch Proteine haben unterschiedliche Strukturen
Protein Strukturen!
Primär: eindeutige Abfolge von Aminosäuren
Sekundär: Beschreibung lokaler Strukturelemente des Proteins (z.B. Faltung). Durch die elektrostatische Wechselwirkung der Seitenketten untereinander bildet sich eine Sekundärstruktur mit Backbone Struktur
Tertiär: Sekundärstrukturen bilden Tertiärstrukturen durch Wechselwirkungen der Seitenketten einiger Aminosäuren. Es kommt mitunter auch zur kovalenten Bindung zwischen Cystein-Seitenketten. Die Tertiärstruktur bestimmt meistens die Proteinstruktur und somit auch die Funktion.
Quartär = Protein
Durch Wechselwirkungen zwischen mehreren Tertiärstrukturen werden Quartärstrukturen gebildet, was ein Proteinkomplex ist.
Nennen Sie 4 Arten von Postmodifikationen von Proteinen und beschreiben Sie, wie diese physikochemischen Eigenschaften bzw. die Aktivität von Proteinen beeinflussen.
· Acetylierung --> Protein Regulation
· Phosphorylierung --> Protein Aktivierung
· Ubiquitinierung --> Protein Abbau
· Glycoproteine --> Protein Markierung
Wie beeinflusst die Acetylierung die Eigenschaft/Aktivität von Proteinen?
Bei der Acetylierung wird eine Acetylgruppe an bestimmte Aminosäuren innerhalb eines Proteins angehängt wird. Dies beeinflusst Synthese, Stabilität, Funktion und Lokalisierung von Proteinen. Außerdem spielt die Acetylierung eine Rolle im Metabolismus und der Apoptose.
Wie beeinflusst die Phosphorylierung die Eigenschaft/Aktivität von Proteinen?
Anhängen einer Phoyphorylgruppe an Hydroxygruppen von Seitenketten von Aminosäuren, also Serin, Threonin und Tyrosin. Die Phosphorylierung löst durch Strukturänderung eine Änderung der Proteinaktivität aus.
Die Phosphorylierung der Proteine ist also quasi der Schalter zum Ein- und Ausschalten von Proteinen.
Wie beeinflusst die Ubiquitinierung die Eigenschaft/Aktivität von Proteinen?
Übertragung eines (oder mehrere zu einer Kette) Ubiquinntin auf ein Protein. Diese Gruppe ist wichtig für den Protein-Abbau, weil durch die Protease diese Gruppe erkennt, wird und anschließend das Protein degradiert wird.
Wichtig bei DNA-Reparatur, Endozytose, Stressantwort und Signaltransduktion
Wie beeinflussen Glycoproteine die Eigenschaft/Aktivität von Proteinen?
Glykosilierung heißt Zucker zu etwas anhängen. Die Glykosilierung identifiziert und markiert Proteine, Kommunikation und Interaktion von Zellen und Organismen. Glykosylierungsmuster sind sehr spezifisch, Glykosylierung erhöht Stabilität mancher Proteine und schützt vor proteolytischen Abbau, dient dem intrazelluären Transport und der Exozytose. Findet im Lumen des ER und im Golgi—Apparat der Zelle statt.
Welche Rolle spielen sogenannte „Protein-Oberflächen“ in der Biochemie, bzw. speziell im Rahmen der Signalübertragung?
Durch die effektiven Oberflächen entscheiden sich die Proteine voneinander. Durch die biochemische Strukturänderung entstehen andere Wechselwirkungen mit der Umgebung. Durch die unterschiedlichen Wechselwirkungen können nun die spezifischen Proteine perfekt auf „ihren“ Rezeptor passen und eine Signalkaskade auslösen („Schlüssel-Schloss-Prinzip).
Wie kann man hohe katalytische Leistungen von Enzymen (im Vergleich zu menschlich erzeugten Katalysatoren) erklären?
Im Vergleich zu beispielsweise menschlich erzeugten Katalysatoren sind Enzymatische hochspezifische für ihre Substrate, was zu gezielteren Reaktionen führt. Enzyme können Substrate präzise binden und ausrichten, um die Effizient zu erhöhen. Zudem passt das aktive Zentrum sich an die Form des Substrats an, was die Reaktion begünstigst.
Erklären Sie in diesem Zusammenhang, warum sich „extreme“ Bedingungen wie hoher/niedriger pH-Wert oder niedrige/hohe Temperaturen so stark auf die Leistung von Enzymen auswirken?
pH: Änderung im pH-Wert können die Struktur beeinträchtigen, da Aminosäuren beispielsweise ionisierbare Gruppen haben, welche pH-abhängig sind. Der Ladungszustand und in weiterer Folge die ionische Wechselwirkung und die Struktur kann durch eine pH-Änderung also beeinflusst werden
Temperatur: Bei zu hohen oder zu niedrigen Temperaturen kann zu Denaturierung von Proteinen führen.
Erklären Sie die Methoden der Röntgenspektroskopie bzw. wie man von einer Proteinlösung zur aufgelösten Struktur eines Proteins kommt.
1. Herstellung von Proteinkristallen: Man hat eine Mutterlösung aus Puffer / Salz, man verdampft Flüssigkeit und durch die Übersättigung kristallisiert es.
2. Dann wird der Kristall eingefroren
3. Erzeugung von Bremsstrahlung (=Röntgenstrahlung); Elektronen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, auf Kern oder Gitter geschossen und von diesem dann abgelenkt. Es entsteht ein Reflexionsmuster. Die Winkel und Intensität von gebeugten Röntgenstrahlen werden gemessen, wobei jede Verbindung ein einzigartiges Beugungsmuster aufweist.
4. Daraus ergibt sich ein Interferenzmuster. Aus diesem Interferenzmuster kann durch Fouriertransformation im 3D-Raum auf die Elektronendichte zurück gerechnet werden.
5. Zu berücksichtigen ist das Phasenproblem, Replacement & Refinement wird mit Computerprogrammen berechnet.
--> Modellbildung
Erklären Sie die Methode der Elektronenmikroskopie.
Die Strahlenquelle sind Elektronenstrahlen. Die Elektronen werden durch elektromagnetische Linsen fokussiert, um ein detailliertes Bild der Probe zu erhalten.
Es können nur tote Objekte mikroskopiert werden.
· Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM)
Dieser Elektronenmikroskop-Typ entspricht noch am ehestem dem Lichtmikroskop. Im Grunde ersetzt man den Lichtstrahl durch gebündelten Elektronenstrahl.
· Raster-Elektronenmikroskop (REM)
Der Elektronenstrahl tritt nicht durch das dünne Objekt hindurch, sondern wird von dessen Oberfläche reflektiert. Das Objekt wird rasterförmig abtastet, also quasi Zeile für Zeile und Pixel für Pixel. Daher kann man auch Oberflächenstrukturen dickerer Objekte sichtbar machen.
Erklären Sie kurz das Lichtmikroskop.
Das Lichtmikroskop verwendet als Strahlenquelle sichtbares Licht (Wellenlängenbereich 380nm-780nm). Das Licht wird durch Glaslinsen fokussiert, um das Bild zu vergrößern. Die Auflösung ist dabei aufgrund der Wellenlänge des sichtbaren Lichts begrenzt.
Wo liegen die Ähnlichkeiten bzw. die Unterschiede zur Lichtmikroskopie?
Ähnlichkeiten:
Bildgebende Verfahren zur Vergrößerung von Objekten.
Unterschiede:
Elektronenmikroskop hat eine höhere Auflösung als das Lichtmikroskop aufgrund der viel kleiner Wellenlänge der Elektronen.
Die Verwendung, sowie die Vergrößerung sind also signifikante Unterschiede.
Beschreiben Sie die Idee der Cyro-Elektronenmikroskopie.
Wir frieren unsere Probe ein und beobachten sie mit einem guten Elektronenmikroskop. Dies sollte uns letztendlich ermöglichen Moleküle wie Proteine, etc. zu „sehen“.
Wie läuft die Cyro-Elektronenmikroskopie ab?
1. Moleküle müssen gefunden werden à aus den rauschenden Abschnitten werden Teile herausgefischt wo sich etwas befinden könnte
2. Transformation der Bilder à werden Feinstrukturen ausgerechnet
3. Rückprojektion der Bilder à aus den verschiedenen 3D-Strukturen werden Einzelbilder erstellt
4. Erhöhung der Auflösung à Molekular Replacement: verleicht gemessene mit virtueller Dichte
5. Konformationsvergleich à kann unterschiedliche Proteine unterschieden oder sogar unterschiedliche Konfirmationen
Erklären Sie die Methode des Tandem-Massenspektrometrie.
Man hat mehrere Massenfilter, um ein besseres Signal zu bekommen:
· 3 Quadrupole:
Im 1. Werden die Ionen aufgrund der Masse/Ladung Verhältnis (=m/z) des Hauptmoleküls gescannt und selektiert
Im 2. Erfolgt die Fragmentation des Proteins in Untereinheiten
Im 3. Findet m/z Selektion der Fragmente oder Scanning statt
Fokus auf m/z Verhältnis oder Scan – Quantifizierung oder Strukturrückschlüsse.
Welchen Vorteil hat diese Methode gegenüber der einfachen Massenspektrometrie?
Vorteile:
Höhere Auflösung und höhere Freiheit, weil man sich aus 1 Probe selektive Teile eines Moleküls heraussuchen kann
· Schnelligkeit
· Strukturrückschlüsse bei großen Proteinen
Erklären Sie die Grundprinzipien von Computersimulationen. Wann und wie wird diese Technik angewandt?
· Computersimulationen sind ein Werkzeug um unzugängliche, meist molekulare Systeme zu beschreiben. Damit man diesen Daten Glauben schenken kann, braucht man empirische Kraftfelder, die die Quantenmechanik „ersetzen“, da sie sehr aufwendig ist.
· Ein enormer Vorteil solcher Methoden ist aber, dass man implizit Energie von Prozessen berechnen kann, ß Thermodynamik.
· Wann? Bei unbekannten Proteinen, bei welchen man durch Homologie Analyse keine Rückschlüsse auf dessen Verhalten ziehen kann. Beschreibung des Verhaltens von Molekülen (Struktur kann mit keinem anderen Mittel mehr geklärt werden.)
Was versteht man unter den Begriff „QSAR“?
QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship):
Umfasst alle statistischen Modelle, mit denen versucht wird speziell die chemische/biologische Aktivität von Molekülen als Funktion ihrer Struktur und ihrer räumlichen Eigenschaften abzuleiten.
Was versteht man unter den Begriff „ADMET“?
ADMET (Absorption,Distribution, Metabolism and Excretion; Tox):
Beschreibt die Disposition einer Substanz innerhalb eines Organismus. Und umfasst außerdem Wissen und Überlegungen über möglichen unspezifischen Interaktionen („Nebenwirkungen“) und generell über mögliche Vergiftungserscheinungen.
Was versteht man unter den Begriff „Pharmakophor“?
Pharmakophor:
Pharmakophor ist derjenige Teil (bzw. besteht aus denjenigen Eigenschaften) eines Moleküls, die für dessen pharmakologische Wirkung verantwortlich sind.