Alzheimer BSE und freie Enthalpie: Proteinfaltung und neurodegenerative Erkrankungen

1. Alzheimer BSE und freie Enthalpie: Proteinfaltung und neurodegenerative Erkrankungen Proteinfaltung - Mechanismen - Konzepte Thermodynamik-Konzepte 1

2. �bersicht Einf�hrung in das Thema Was sind Proteine? Proteinbiosynthese Proteinfaltung Mechanismen-Konzepte Gib�s Energie (DG) und Proteinfaltung Thermodynamik Fehlfaltung von Proteinen (Beispiele) Ausblick 2

3. Neurodegenerative Erkrankungen und Fehlfaltung von Proteinen Die 3-D Struktur eines Proteins ist die determinierende Eigenschaft f�r seine Funktion. Bei Fehlfaltung wird ein Protein in eine 3-D Struktur �berf�hrt, die nicht dem nativen Zustand entspricht. Bei der gro�en Mehrzahl der der Fehlfaltungen die als Krankheitsursache nachgewiesen wurden, werden die Proteine in hoch-geordnete Aggregate (�Amyloide�) �berf�hrt die der zellul�ren Qualit�tskontrolle und der Protein-Degradation entziehen. Diese Aggregate werden als Depots in den Zellen abgelagert. Die Pathogenit�t der Amyloide wird jedoch vor allem durch niedermolekulare Aggregate hervorgerufen, die z.T. neue pathogene Funktionen durch ihre Aggregation gewinnen. 3

4. Neurodegenerative Erkrankungen und Fehlfaltung von Proteinen -Beispiele 4

5. Proteine: Eine kurze �bersicht Protein kommen in allen Organismen vor. Sie sind Tr�ger von �Funktionen�. Die Diversit�t ihrer 3-DStruktur erm�glicht eine gro�e Funktionsvielfalt. Enzyme � biologische Katalysatoren Nahezu alle Reaktionen in biologischen Systemen werden von Enzymen katalysiert. Speicherung Ionen, kleine Molek�le und Metabolite werden komplexiert und so �gespeichert� (Haemoglobin, Serum-Albumine etc. Transport Proteine sind am Transport von unterschiedlichsten substraten beteiligt (e- bis zum Mokromolek�l). Sie bilden Membranporen oder arbeiten als Pumpen. Messenger Proteine sind an der Transmission zellul�rer Signale beteiligt (Rezeptoren-Liganden, Hormone etc.). Antik�rper Das Immunsystem h�ngt von der Produktion hochspezifischer Antik�rper ab Strukturproteine Die mechanische Stabilit�t von Zellen wird durch ein Netzwerk von Protein Filamenten gew�hrleistet. Haare, Collagene�.. etc. 5

6. Proteine Proteine sind lineare Heteropolymere mit einer definierten L�nge. Die Monomere sind Aminos�uren, davon kommen in der Natur 20 verschiedene vor. Jede einzelne Aminos�ure hat ihre eigenen spezifischen chemischen Eigenschaften. Die lineare Kette faltet sich in eine spezifische 3-D Struktur, die durch die Sequenz der Aminos�uren bestimmt wird. Im Allgemeinen erfolgt die Faltung der Pepetidkette spontan. Die 3-D Struktur der Proteine ist daher extrem vielf�ltig. Proteine sind selbstorganisierende Nanostrukturen. 6

7. Aminos�uren 7

8. Aminos�uren 8

9. Proteine Peptidbindung Aminos�uren sind chiral

10. Proteine Strukturebenen 10

11. Proteine 2-D Strukturen a-Helix 11

12. Protein-Biosynthese - Protein traffic Nahezu alle Protein einer Eukaryotischen Zelle werden in Ribosomen im Cytosol synthetisiert und m�ssen zu dem Ort ihrer Funktion transportiert werden. Sortierung und Transport der Proteine erfolgt anhand spezifischer Signalpeptide (extern/intern). Mehr als 50% aller Proteine einer Zelle m�ssen in oder �ber Membranen transportiert werden. 12

13. Qualit�tskontrolle von Membranproteinen Zellen verf�gen �ber eine ausgekl�gelte Qualit�tskontrolle und recyceln im Normalfall falsch gefaltete Proteine. 13

14. Proteinfaltung Mechanismen-Konzepte Welche Kr�fte �treiben� die Proteinfaltung und stabilisieren den gefalteten Zustand? Anfinsen et al., 1961 -Denaturierte RNAse A faltet sich spontan in die native Konformation zur�ck. 1. Die native Konformation entspricht dem Zustand der niedrigsten freien (Gibbs) Energie. 2. Die 1-D Struktur (Sequenz) alleine bestimmt die 3-D Struktur Wie ist der Weg der Proteinfaltung? Levinthal, 1968 -Die Faltung einer Polypeptidkette w�rde l�nger dauern als die Lebensdauer des Universums wenn alle m�glichen Konformationen in einem �Random-Search� �ausprobiert� w�rden. Proteine Falten sich in s (ms), daher m�ssen stabile Zwischenzust�nde existieren. 14

15. Protein mit n Aminos�uren 2n Torsionswinkel ?, ? davon hat jeder Winkel 3 stabile Konformationen damit ergeben sich: 32n m�gliche Konformationen ? 10n Konformationen (Seitenketten sind nicht ber�cksichtigt) Atombindungen reorientieren sich mit ~10-13s Die notwendige Zeit f�r die Realisierung aller m�glichen Konformationen  (75 Aminos�uren) Das Universum existiert seit ca. 20 Mrd. Jahren (6 ? 1017s) Proteinfaltung 15

16. Wege der Proteinfaltung Energie (Gibbs Energie DG) Landkarte f�r die Faltung und eines Proteins. Durch die Trichter-Kontur der Energie wird das Protein in seine native Konformation �geleitet�. 16

17. Thermodynamik -Konzepte Die (klassische) Thermodynamik behandelt �nderungen zwischen Gleichgewichtszust�nden ("Gleichgewichtsthermodynamik). Diese �nderungen k�nnen reversibel oder irreversibel sein. W�rme (q) Ist die Energie, die zwischen einem System und der Umgebungals Folge von Temperaturgradienten ausgetauscht wird. (Innere) Energie (E): Energie eines Systems (z.B.. die Translations-, Schwingungs-, & Rotations-Energie von Molek�len. E ist eine Funktion des (thermodynamischen) Zustandes 17

18. Thermodynamik -Konzepte Haupts�tze der Thermodynamik Der I. Hauptsatz der Thermodynamik erlaubt es, Bilanzen f�r die verschiedenen, �ber die Systemgrenzen transportierten Energieformen aufzustellen. Bei der energetischen Beschreibung von Zustands�nderungen f�hrt der I. Hauptsatz also Buch �ber die Energieimporte und -exporte und erlaubt es, solche Vorg�nge als physikalisch unm�glich auszuschlie�en, bei denen diese Bilanz nicht stimmt. Der II. Hauptsatz der Thermodynamik erlaubt es, die Abfolge der f�r ein System m�glichen Zust�nde zu charakterisieren. Er bestimmt also die Richtung der Zustands�nderungen, in die sich das vorliegende System entwickeln wird. 18

19. Thermodynamik -Konzepte F�r physikalisch-chemische Anwendungen lautet der I. Hauptsatz der Thermodynamik: F�r ein geschlossenes System mit konstanten �u�eren Zustandsvariablen existiert eine extensive Zustandsfunktion, die Innere Energie E des Systems, deren differentielle �nderung dE sich aus geleisteter Arbeit dW und zu- oder abgef�hrter W�rme dQ zusammensetzt dE = dW + dQ. Die integrierte Beziehung f�r die �nderung der Inneren Energie ?E ist gleichwertig: ?E = ?Q + ?W. 19

20. Thermodynamik -Konzepte Die Richtung des Ablaufes spontaner Prozesse wird durch die Zustandsgr��e �Entropie" beschrieben. Diese ist wie folgt durch den II. Hauptsatz definiert: TdS = dE+PdV (nk = const.) deS = 0 f�r ein thermisch isoliertes System diS = 0 f�r reversible Zustands�nderung diS> 0 f�r irreversible Zustands�nderung Negative Werte von diS sind unm�glich, die Entropie (des Universums) nimmt zu! 20

21. Gibbs Freie Energie Eine thermodynamische Zustandsvariable die eine Kombination aus Enthalpie (Energie) und Entropie sowie die Temperatur verkn�pft ist die Gibbs Energie (G): F�r spontane Prozesse bei konstantem Druck (p) gilt: DG<0 spontaner Prozess l�uft ab DG0=0 System befindet sich im Gleichgewicht DG>0 kein spontaner Prozess m�glich 21

22. Proteinfaltung Die native Konformation eines Proteins entspricht dem Zustand der niedrigsten freien (Gibbs) Enthalphie. Wichtig f�r die Richtung der Faltung ist die Differenz der freien Enthalphie zwischen dem nativen und gefalteten Zustand eines Proteins. 22

23. Proteinfaltung  Entropie Beitr�ge zur Faltung f�r die Proteinfaltung sind folgende Beitr�ge zu ber�cksichtigen: Polypeptidkette: DGKette-DHKette-TDSKette Seitengruppen: DGtransfer L�sungsmittel: DGsol DGtotal = DGKette + DGtransfer + DGsol Der �bergang des Proteins: (R)andom ? (N)ativ erfolgt dann spontan wenn: 23

24. Proteinfaltung Die Gib�s Energie (DGtotal)f�r die Faltung von Proteinen liegt nahe am thermodynamischen Gleichgewicht. Kleine �nderungen der Temperatur, der Zusammensetzung des Umgebungsmilieus (Zn,Cu,Pb,EtOH), Mutation einer Aminos�ure, Kontakt mit anderen Proteinen oder zwischen identischen Proteinketten k�nnen zur Entfaltung mit anschlie�ender Fehlfaltung f�hren. In Zellen gibt es sogenannte Chaparone (Proteine) die diese Fehlfaltung unter Energiezufuhr reparieren k�nnen. 24

25. Intermolekulare Kontakte erm�glichen die Aggregation von Proteinen Energie (DG) Landkarte f�r die Faltung und Aggregation eines Proteins. 25

26. Wege der Proteinfaltung M�gliche Strukturen die eine Polypetidkette einnehmen kann. 26

27. Struktur von �-Amyloiden(schematisch) A-D) M�gliche Kontakte zwischen linearen Polypeptidketten. E) Amyloid-Stapel (Schematisch) 27

28. Entstehung von Amyloid Fibrillen Amyloid Bildung 28

29. Zu viel Cholesterin beg�nstigt Alzheimer-Krankheit Ein hoher Cholesterinspiegel im Gehirn kann dazu f�hren, dass das Protein �-Amyloid vermehrt gebildet wird. Winzige Scheren, die so genannten "Gamma-Sekretasen", spalten dieses Protein in zwei Teile. Je nach Schnittstelle entstehen dabei aus dem �-Amyloid zwei verschiedene Amyloid-Formen: �-Amyloid�40 und �-Amyloid�42. Bei Alzheimer-Patienten sammeln sich gro�e Mengen �-Amyloid�42 im Gehirn an und bilden die charakteristischen, die Nervenzellen sch�digenden Plaques. 29

30. Nervenzelle 30

31. Amyloid-Plaques ver�ndern die Morphologie der Zellen Gehirn Kernspinn-Tomographie 31

32. Therapien Verhinderung der Amyloid Bildung Verlangsamung der Amyloid Bildung (bei genetisch bedingter Pathogenese) Genetische und chemische Modifikation der amylogenen Peptide Reversion der Fehlfaltung 32

33. Vielen Dank f�r Ihre Aufmerksamkeit

34. Ethanol und Dioxan haben die gleiche Polarit�t wie das �Proteininnere". Normiert man DGtransfer auf Glycin ergeben sich �realistische" Werte die jeweils f�r die verschiedenen Seitenketten charakteristisch sind. DGtransfer Normierung: DGtransfer=DGSeitenkette-DGGlycin 34

35. Proteinfaltung  Entropie Beitr�ge zur Faltung DSsol liefert den gr��ten Betrag; die Entropie des Wassers bewirkt in entscheidendem Ma�e die spezifische Faltung der Polypeptidkette (�hydrophobische Kr�fte�) 35

36. Thermodynamik- Konzepte System: ist r�umlich gegen die Umgebung abgegrenzt. Stoffaustausch mit der Umgebung ist m�glich (�offenes System") oder nicht m�glich (�geschlossenes System"). W�rmeaustausch mit der Umgebung ist m�glich oder nicht m�glich. Gr��en die ein System beschreiben: Zustandsvariable (Temperatur (T), Druck (P), Volumen (V) Der (thermodynamische) Zustand eines Systems im Gleichgewicht l�sst sich vollst�ndig durch einen Satz von Zustandsvariablen beschreiben. Extensive Zustandsvariable: Der Wert von extensiven Zustandsvariablen ergibt sich aus der Summe ihrer Werte f�r jeden Teil des Systems (z.B. V, T, P; Vg = ?Vi) Intensive Zustandsvariable: z. B. Dichte (r), Viskosit�t (?) sind f�r jeden Punkt eines Systems messbar (lokal definiert). Wenn Sie �berall den gleichen Wert haben (z.B. Dichte) ist das System homogen. 36

37. Chemisches Potenzial (�) partielle molare Gr��e partielle molale freie Energie Das chemische Potenzial h�ngt von der Aktivit�t (a) ab und wird auf einen Referenzzustand bezogen. ist eine dimensionslose Zahl, die wie folgt mit dem Aktivit�tskoeffizienten (?) und der molalen Konzentration (C) verkn�pft ist: 37

38. Chemisches Potenzial (�) Der Referenzzustand ist derjenige Zustand, f�r den folgende Bedingungen gelten: F�r das chemische Potenzial in molaren Gr��en gilt: 38

39. Qualit�tskontrolle von Membranproteinen 39

40. Neurodegenerative Erkrankungen und Fehlfaltung von Proteinen Die F�higkeit von Proteinen sich spontan und spezifisch in eine definierte 3-dimensionale Form zu Falten ist eine essentielle Voraussetzung f�r alle zellul�ren Prozesse. Dieser Selbstorganisation liegen komplexe physiko-chemische Prozesse zugrunde, die sich durch thermodynamische und kinetische Parameter beschreiben lassen. Die Proteinfaltung h�ngt dabei von den intrinsischen Eigenschaften der Aminos�uren (Bausteine) und dem Milieu der Umgebung ab. Faltung und Entfaltung der Proteine sind elementare Mittel zur Regulation biologischer Prozesse. Fehlfaltung und Aggregation von Proteinen verbunden mit einer dann nicht mehr funktionierenden zellul�ren Qualit�tskontrolle der fehlgefalteten Proteine sind Ursache f�r eine Vielzahl von Krankheiten. Der �loss of function� durch die Fehlfaltung ist dabei von einem �gain of fuction� begleitet. Diese neue Funktion der Proteine ist dann oft Grundlage f�r deren Pathogenit�t.