Strukturbiologie
• alles mit Zellmechanismen, Neurobologie
• Proteine in Zellmembranen etc.
• ATP-Synthase als gutes Beispiel der Struktubiologie
◦ Rotor wird über den Protonengradienten angeregt
• Supercomplex 1, 2, 3 und 4 bilden häufig ein “Mega”complex, die die Membranen biegen
◦ das sind die Biegungen in den Mitochondrien (an den Cristae) →
◦ sind nicht nur Ovale, sondern kleine Nanomaschinen
• fast jede Krankheit kann auf Proteine zurückgeführt werden
◦ Pharmafirmen arbeiten bei der Medizinproduktion also viel in der Strukturbiologie
Kyro-Elektronenmikroskopie
• kleinstmögliche Details und Strukturen zu erkennen
• Proteine lassen sich in Elektronenmikroskopie unmittelbar abbilden
◦ sowie verschiedene Konformationen von Proteinen während dem Pumpen
◦ sowie Größe des Proteins (zB. Angström “Å” = 1 Nehntel Nanometer)
◦ ein Protein ist also ca. 130 Å groß
Membranpotenzial
• Alle Zellen bilden ein Membranpotenzial aus
• Intra- und extrazelluläre Flüssigkeiten besitzen unterschiedliche Ladungen, so entsteht eine
Potenzialdifferenz an der Membran
• Das Membranpotenzial hat insbesondere Bedeutung für die Signaltransduktion in Nerven- und
Sinneszellen, sowie für die Funktion der Muskulatur
Reizfortleitung
• Ein Reiz öffnet die Na+-Kanäle, die Membran depolarisiert
• Die Ladung breitet sich aus die nachstehenden Kanäle öffnen sich
• Im Gegensatz zur elektrischen Fortleitung verstärkt sich die aktive Fortleitung durch
Aktionspotenziale von selbst.
Wie entsteht das Membranpotenzial?
➢ Zwischen dem Zellinneren und -äusseren herrscht ein Na+und K+ Konzentrationsunterschied !
➢ In tierischen Zellen ist die Kalium Konzentration grundsätzlich höher und die Natrium
Konzentration grundsätzlich niedriger als im Außenmilieu.
➢ Auf beiden Seiten wird die Ladung durch negative Ionen ausgeglichen und ist daher neutral. Die
Plasmamembran bildet eine hydrophobe Barriere, die den Durchtritt von polaren oder geladenen
Molekülen und Ionen verhindert. Durch die Membran sind beide Seiten voneinander “elektrisch
isoliert”.
➢ Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Antiporter (Transporter kann in zwei Richtungen
transportieren) und nutzt die Hydrolyse von ATP als Energiequelle um aktiv Na+ aus und K+ in
die Zelle zu pumpen
➢ drei Na+ werden aufgenommen
➢ weitere schritte ?
Wie wird daraus ein Membranpotenzial?
➢ Die Entstehung eines elektrischen Potentials ist abhängig von der Durchlässigkeit
gegenüber der vorhandenen Ionen
➢ Natrium- und Kaliumkanäle durchziehen die Plasmamembran und machen diese
durchlässig für K+ und Na+. Dies erhöht den Konzentrationsunterschied zusätzlich
➢ K+ und Na+ folgen dem elektrochemischen Gradienten durch die Ionenkanäle und
lassen dabei ihre negative Ladung zurück.
➢ Da wesentlich mehr K+- als Na+-kanäle geöffnet sind, entsteht ein Membranpotenzial
(da weniger Natrium zurückfließt)
, ➢ Negative und positive Ladungen lagern sich an der dünnen Lipidmembran an (Kondensator),
während das Gesamtvolumen elektrisch neutral bleibt.
→
gegengesetzte Ladung in der Pore
vier Helices auseinander gespreizt = Kanal geöffnet → “Gating”
Größe der Ladung ist entscheidend, ob Transport geschieht (Selektives Arbeiten)
#
Viefalt an Ionenkanälen
• Spannungsabhängige (Kaliumkanal, Natriumkanal)
• Ligandengesteuerte (extra- oder intrazellulär, zB. NMDA-Rezeptor, Serotoninrezeptor)
• Mechanosensitive (zB. NOMPC wird aktiviert, wenn zwei Membranen sich auseinanderziehen
und der Kanal langezogen wird)
→ Alle Ionenkanäle besitzen einen ähnlich aufgebauten Selektionsfilter. Einige Filter sind
hochselektiv andere lassen Ionen vergleichsweise unspezifisch passieren. Die “Gating-
Domänen” variieren stark und bestimmen wodurch der Kanal geöffnet/geschlossen wird
Struktur ist wichtig für Medizin, beispielsweise wo ,welcher Antikörper bindet (zB. Spikeproteine auf
dem Coronavirus)
Warum Remdesivir das Coronavirus nicht vollständig ausschaltet ,Neue Forschungsergebnisse erklären,
weshalb das Medikament eher schwach wirkt
→ Medikament pausiert nur, keine Blockade
GPCRs – G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
• fast 50% der Medikamente wirken durch GPCRs
Kyro-Elektronenmikroskopie
• hochauflösende Strukturbestimmungen in 3D
Der Aufbau von Proteinen
• alles mit Zellmechanismen, Neurobologie
• Proteine in Zellmembranen etc.
• ATP-Synthase als gutes Beispiel der Struktubiologie
◦ Rotor wird über den Protonengradienten angeregt
• Supercomplex 1, 2, 3 und 4 bilden häufig ein “Mega”complex, die die Membranen biegen
◦ das sind die Biegungen in den Mitochondrien (an den Cristae) →
◦ sind nicht nur Ovale, sondern kleine Nanomaschinen
• fast jede Krankheit kann auf Proteine zurückgeführt werden
◦ Pharmafirmen arbeiten bei der Medizinproduktion also viel in der Strukturbiologie
Kyro-Elektronenmikroskopie
• kleinstmögliche Details und Strukturen zu erkennen
• Proteine lassen sich in Elektronenmikroskopie unmittelbar abbilden
◦ sowie verschiedene Konformationen von Proteinen während dem Pumpen
◦ sowie Größe des Proteins (zB. Angström “Å” = 1 Nehntel Nanometer)
◦ ein Protein ist also ca. 130 Å groß
Membranpotenzial
• Alle Zellen bilden ein Membranpotenzial aus
• Intra- und extrazelluläre Flüssigkeiten besitzen unterschiedliche Ladungen, so entsteht eine
Potenzialdifferenz an der Membran
• Das Membranpotenzial hat insbesondere Bedeutung für die Signaltransduktion in Nerven- und
Sinneszellen, sowie für die Funktion der Muskulatur
Reizfortleitung
• Ein Reiz öffnet die Na+-Kanäle, die Membran depolarisiert
• Die Ladung breitet sich aus die nachstehenden Kanäle öffnen sich
• Im Gegensatz zur elektrischen Fortleitung verstärkt sich die aktive Fortleitung durch
Aktionspotenziale von selbst.
Wie entsteht das Membranpotenzial?
➢ Zwischen dem Zellinneren und -äusseren herrscht ein Na+und K+ Konzentrationsunterschied !
➢ In tierischen Zellen ist die Kalium Konzentration grundsätzlich höher und die Natrium
Konzentration grundsätzlich niedriger als im Außenmilieu.
➢ Auf beiden Seiten wird die Ladung durch negative Ionen ausgeglichen und ist daher neutral. Die
Plasmamembran bildet eine hydrophobe Barriere, die den Durchtritt von polaren oder geladenen
Molekülen und Ionen verhindert. Durch die Membran sind beide Seiten voneinander “elektrisch
isoliert”.
➢ Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Antiporter (Transporter kann in zwei Richtungen
transportieren) und nutzt die Hydrolyse von ATP als Energiequelle um aktiv Na+ aus und K+ in
die Zelle zu pumpen
➢ drei Na+ werden aufgenommen
➢ weitere schritte ?
Wie wird daraus ein Membranpotenzial?
➢ Die Entstehung eines elektrischen Potentials ist abhängig von der Durchlässigkeit
gegenüber der vorhandenen Ionen
➢ Natrium- und Kaliumkanäle durchziehen die Plasmamembran und machen diese
durchlässig für K+ und Na+. Dies erhöht den Konzentrationsunterschied zusätzlich
➢ K+ und Na+ folgen dem elektrochemischen Gradienten durch die Ionenkanäle und
lassen dabei ihre negative Ladung zurück.
➢ Da wesentlich mehr K+- als Na+-kanäle geöffnet sind, entsteht ein Membranpotenzial
(da weniger Natrium zurückfließt)
, ➢ Negative und positive Ladungen lagern sich an der dünnen Lipidmembran an (Kondensator),
während das Gesamtvolumen elektrisch neutral bleibt.
→
gegengesetzte Ladung in der Pore
vier Helices auseinander gespreizt = Kanal geöffnet → “Gating”
Größe der Ladung ist entscheidend, ob Transport geschieht (Selektives Arbeiten)
#
Viefalt an Ionenkanälen
• Spannungsabhängige (Kaliumkanal, Natriumkanal)
• Ligandengesteuerte (extra- oder intrazellulär, zB. NMDA-Rezeptor, Serotoninrezeptor)
• Mechanosensitive (zB. NOMPC wird aktiviert, wenn zwei Membranen sich auseinanderziehen
und der Kanal langezogen wird)
→ Alle Ionenkanäle besitzen einen ähnlich aufgebauten Selektionsfilter. Einige Filter sind
hochselektiv andere lassen Ionen vergleichsweise unspezifisch passieren. Die “Gating-
Domänen” variieren stark und bestimmen wodurch der Kanal geöffnet/geschlossen wird
Struktur ist wichtig für Medizin, beispielsweise wo ,welcher Antikörper bindet (zB. Spikeproteine auf
dem Coronavirus)
Warum Remdesivir das Coronavirus nicht vollständig ausschaltet ,Neue Forschungsergebnisse erklären,
weshalb das Medikament eher schwach wirkt
→ Medikament pausiert nur, keine Blockade
GPCRs – G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
• fast 50% der Medikamente wirken durch GPCRs
Kyro-Elektronenmikroskopie
• hochauflösende Strukturbestimmungen in 3D
Der Aufbau von Proteinen
