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für viele enzymatische Reaktionen ist Flexibilität wichtig- Enzyme, die die Konformation nach Substratbindung ändern:

induced fit- Protein-Protein-Interaktionen- Regulation von Protein durch Modifikation- kooperativ arbeitende Proteine

HämoglobinPhosphofructokinaseGlykogenphosphorylaseAspartatcarbamoylase

Flexibilität, Dynamik und Kooperativität

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Lock & Key versus Induced Fit

• “Lock and Key” model by Emil Fisher (1894)Complementary surfaces are preformed

• “Induced fit” model by Daniel Koshland (1958)Both the ligand and the protein can change their conformations upon binding tighter binding, high affinity for different ligands

+

+

3

Konformationsänderungen1. Änderungen in Loop-Regionen

- GTP/GDP bindendes kleines G-protein- Antigen-Antikörper Bindung

2. Bewegung zweier Domänen- Bindung von Eisen an Lactoferrin- Bindung von ATP an GroEL- Actin-Myosin Bindung

3. Kumulative Verschiebungen der Sekundär-strukturenam Interface

- Citrat Synthase, Hexokinase4. Änderungen der Geometrie der Untereinheiten

- Calmodulin

5. Kooperativität- Hämoglobin, Phosphofructokinase

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Konformationsänderungen

1. Änderungen in Loop-Regionen

p21 ras (kleines G-Protein)

GTP

C13-sigtransd-2Gprotein

5

Antikörper

6

Bindung des Antigens ändert die Struktur des Antikörpers

Konformationsänderungen

7

Konformationsänderungen

2. Bewegung zweier DomänenDomänen bleiben dabei unverändert

Lactoferrin mit und ohne Eisen

8

GroEL

ohne

mit

ATP

Aktin bindendesMyosinc6fldflx-6

GroEL

9

Konformationsänderungen3. Kumulative Verschiebungen der Sekundär-

strukturen am Interface Citrat-Synthase

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Konformationsänderungen3. Kumulative Verschiebungen der Sekundär-

strukturen am Interface

c6fldflx-13MBP

Citrat-Synthase

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Induced Fit: Hexokinase

Free enzyme

Glucose-bound

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Induced Fit: Hexokinase

c6fldflx-7Hexokinase

ATP abhängige Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-Phosphat

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4. Änderungen der Geometrie der Untereinheiten

Calmodulin mit und ohne gebundenes Peptid

Gefaltete Strukturen sind flexibel!!!!

CBTag…

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• Proteine, die aus mehreren Untereinheiten (UE) bestehen

• nicht unabhängig von einander agieren• Zustand einer UE bestimmt Aktivität der

anderen• sequentiell oder konzertiert

5. Kooperativität

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Hämoglobin-Familie

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Häm-GruppeMyoglobin (~ Hämoglobin-Monomer)

153 amino acids, 16.7 kDaSize ~ 44 x 44 x 25 Å

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Sauerstoff Bindung an Häm

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Sättigungskurven, Myoglobin

Bindungskurve O2-Bindung

PL P + L

O2-Gehalt

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Vergleich von Myoglobin und Hämoglobin

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Zwei Zustände

nieder affin hoch affin

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Zwei Zustände

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Drehung der F-Helix

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Hämoglobin Tetramer

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Hämoglobin-O2-Bindung

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Interaktionen der Untereinheiten

T-State

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Biologische Funktion von Hämoglobin

=

28

Myoglobin- vs. Hemoglobin- Bindungskurve

()

Bloo

d co

lor c

hang

e

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Hill-Diagramm

PLn P + nL

log log log d

Hill Faktor nHDie Bindung ist:nH=1 nicht kooperativnH>1 positiv kooperativnH<1 negativ kooperativ

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Kooperativität

Sequentielle KooperativitätLiganden (nicht Symmetrie!) getriebene Kooperativität

T-Zustand R-Zustand

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• Proteine, die aus mehreren Untereinheiten (UE) bestehen

• nicht unabhängig von einander agieren• Zustand einer UE bestimmt Aktivität der

anderen (allosterische Interaktion)• Konzertierte Kooperativität durch

Modulatoren

5. Kooperativität

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Allosterisches Protein: Bindung eines Liganden an einerbestimmten Stelle beeinflusst Bindungseigenschaften aneiner anderen Stelle desselben Proteins

Modulatoren lösen Konformationsänderungen aus,wandeln aktivere und weniger aktive Formen einesProteins ineinander um

Homotrop: Ligand = ModulatorHeterotrop: Ligand ≠ Modulator

Allosterisches Protein

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Phosphofructokinase: PFK

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Allosterische Feedback-Inhibitoren

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Struktur der PFK: • 4 identische Unterheiten, Dimer von Dimeren• Gleichgewicht zwischen zwei Konformationen R und T• Koordinierte Bewegung zwischen den Untereinheiten alle 4 UE R oder T• Konformationen haben gleiche Affinität für ATP

aber verschiedene für F6P, ADP (allosterischer effector) und PEP

c6fldflx-11

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T-Konformation R-Konformation

ABCD

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Active Site der Katalyse: zwischen zwei Untereinheiten

R: aktivF6P interagiertmit Arg162

T: inaktivGlu161 an dieserPosition

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Konzertierte Kooperativität(symmetrie-getriebene Kooperativität)

allosterischerÜbergang

reguliert durchModulatoren

S SS

S SS S

S S S

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ATP-Synthase

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Bottom view

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Side view

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F1-ATPaseSubunits: pink yellow blue orange green

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F1-ATPase: 3 Zustände

O: open; L: loose; T: tight

Step 1 ATP and Pi bind to the L siteStep 2 The L site is converted into a T site by conformational change

ATP is formedStep 3 The T site is converted into a O site by conformational change

ATP dissociates

Proton translocation rotation of binding changes

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• Änderungen in Loop-Regionen• Bewegung zweier Domänen:

Scharnierbewegung• Kumulative Verschiebungen der

Sekundär-strukturen am Interface• Änderungen der Geometrie der

Untereinheiten• Kooperativität: sequentiell, symmetrie-

getriebene

Flexibilität, Dynamik und Kooperativität