Enthalpie, freie Enthalpie, freie Energie

1. Enthalpie, freie Enthalpie, freie Energie Proteinfaltung, DNA – Struktur Thomas Ellinghaus & Niklas Hoffmann

2. Enthalpie • Energiemaß, das nur von der Wärme abhängt • Innere Energie:∆U = ∆Q + ∆W ► - p∆V • Lösung: Enthalpie ∆H = ∆U + ∆(pV) • Unter isobaren Bedingungen: ∆H = ∆U + p∆V = ∆Q

3. Freie Enthalpie 2) in 1) einsetzen, T multiplizieren

4. Unter isobaren Bedingungen: ∆Q = ∆H ∆G = ∆H - T∆S Unter isochoren Bedingungen: ∆Q = ∆U ∆F = ∆U - T∆S Freie Energie

5. Freie Enthalpie • ΔG ist Indikator, ob Reaktionen spontan ablaufen: • ΔG < 0: exergon, Reaktion läuft spontan ab • ΔG > 0: endergon, Reaktion läuft spontan nicht ab

6. Anfinsen - Experiment • Ribonuclease A • 1) Entfaltung • 2) Erneute Faltung

7. Anfinsen - Experiment • Strukturinformation muss in Protein gespeichert sein! • Möglichkeit:Energie in Form von ∆G!

8. Proteinfaltung • Freie Enthalpie ΔG < 0

9. Proteinfaltung • Kräfte bei der Proteinfaltung: • Enthalpie • Wasserstoffbrückenbindungen • Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) • Disulfidbrücken • Van der Waals – Wechselwirkungen • Entropie • Hydrophober Effekt

10. Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt H – Brücken: Stabilisieren vor allem Sekundärstrukturen ΔH : Zunahme Proteinfaltung - Enthalpie

11. Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt Ionische Wechselwirkungen pH – abhängig Ladungsabhängig Aminosäuren mit permanenter Ladung, Lysin, Arginin, Aspartat, Glutamat ΔH : Zunahme Proteinfaltung - Enthalpie

12. Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt Disulfidbrücken Stabilisieren Faltungen Kovalente Bindungen Immunoglobulin G ΔH : Zunahme Proteinfaltung - Enthalpie

13. Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie Hydrophober Effekt Van der Waals – Kräfte: Dispersionskräfte, zB. Unpolare Reste von Aminosäuren Permanente Dipole, zB. Peptidbindung Dipol / induzierter Dipol, zB. Aromaten ΔH : Zunahme Proteinfaltung - Enthalpie

14. Enthalpie Wasserstoffbrückenbindungen Ionische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) Disulfidbrücken Van der Waals – Wechselwirkungen Entropie ? Proteinfaltung

15. Proteinfaltung - Entropie • Primärstruktur: Hohe Entropie • Tertiärstruktur: Niedrige Entropie • Trotzdem Faltung…. • Hydrophober Effekt • Beispiel Langkettiges Kohlenhydrat

16. Proteinfaltung - Entropie • Lipid in Wasser: Bildet schnell einen großen Tropfen • Wasser bildet Hydratkäfig um unpolare Substanzen

17. Proteinfaltung - Entropie • Zusammenlagerung dieser Reste reduziert die Anzahl an Wassermolekülen, die an der Käfigbildung beteiligt sind • Entropiegewinn des Wassers Fetttropfen sind aus Sicht des Wassers entropisch günstiger als Einzellipide →

18. Proteinfaltung - Entropie • Polypeptidkette: • Großer Entropieverlust durch Faltung • Wasser • Kleiner Entropiegewinn durch Faltung

19. Energetische Betrachtung Rel. ΔG Entropieverlust Entropiegewinn Enthalpiegewinn ∆G = ∆H - T∆S

20. DNA • Doppelstrang-Helix • Warum diese Form? • Struktur: Helix besteht aus • Phosphat-/ Zucker-Rückgrat außen • Nukleinbasen im Zentrum

21. Warum in Form einer Helix? Maximierung der Abstände der Phosphate zueinander Phosphate stoßen sich voneinander ab Nachbarnukleotide quer zur Helixachse längs zur Helixachse DNA-Struktur

22. DNA-Struktur • Nachbarnukleotide haben größten Einfluss: • Abstoßungskraft gleichartiger Ladungen nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab • Flashback: Coulombsches Gesetz • d.h.

23. DNA-Struktur • Folge: Phosphate maximieren Abstanddurch Bildung kreisförmiger Struktur • Zusätzlicher Vorteil: • polare Phosphate zeigen zum polaren Lösungsmittel (H2O) hin • unpolare Nukleinbasen zeigen zueinander und nach innen, werden so abgeschirmt • ModellePauling vs. Watson und Crick

24. Bildung der Helix führt zu erheblichemΔG-Gewinn ΔH-Zunahme bei ΔS-Abnahme: 1) Wasserstoff-brückenbindungen der Basen 2) Basenstapelung:van-der-Waals-Kräfte, hydrophobe Wechselwirkungen DNA-Struktur

25. Paarungen haben exakt gleiche Abmessungen → Gleichmäßigkeit A/T-Paar liefert 2 H-Brücken G/C-Paar liefert 3 H-Brücken → ΔG-Gewinn steigt mit G/C-Anteil → Energieaufwand zur Helix-Entwindung steigt mit dem G/C-Gehalt 1) Wasserstoff-brückenbindungen

26. Denaturierung (Schmelzen, Entstapelung) von DNA-Doppelstrang benötigt Energiezufuhr Tm ist die Temperatur, bei der die Hälfte der Helix gespalten ist (Wärmezufuhr) Exkurs:Schmelztemperatur von DNA

27. Frage:Ist Tm von purer G/C-Helix 3/2 von Tm von purer A/T-Helix? Nein! → Verhältnis ist geringer, d.h. ΔG-Gewinn beruht auch auf zusätzlichem Faktor... Exkurs:Schmelztemperatur von DNA

28. noch nicht komplett erforscht Versuche zeigen aber, dass freie Nukleotide stapeln sich in Lösung nach bestimmtem Muster freiwillig Steigende Hydrophobizität fördert Basenstapelung m: MolalitätФ: osmotischer Koeffizient 2) Basenpaarung

29. DNA-Struktur • Basenstapelung nur bei Helix-Form • H-Brücken liefern zwar ΔH-Zunahme, sorgen jedoch vor allem für Spezifität;Hauptanteil durch Basenstapelung • ΔH-Zunahme ist treibende Kraft der Helix-Formation

30. Gemeinsamkeit:Ausbildung von Superstrukturen exergonisch Vergleich Proteine & DNA • Unterschied:Proteinfaltung enthalpisch und entropisch,Helix-Formation enthalpisch angetrieben

31. Quellen • Biochemistry (Voet, Voet) • Biochemistry (Berg, Tymoczko, Stryer) • Methoden der Biophysikalischen Chemie (Winter, Noll) • Physical Chemistry for the Life Sciences (Atkins, de Paula) • The Biochemistry of Nucleic Acids(Adams, Knowler, Leader) • Introduction to Protein Structure (Branden, Tooze) • Vorlesungsfolien (Stehle, Ihringer, Enderlein)