Sekundärstruktur

Darstellung der Strukturebenen der Proteinfaltung mit Fokus auf die Sekundärstruktur anhand des Proteins 1EFN

Als Sekundärstrukturen werden in der Biochemie regelmäßige lokale Strukturelemente von Makromolekülen bezeichnet. Der Fokus liegt dabei auf dem Polymerrückgrat, auch Backbone genannt. Die Konformation der Seitenketten und ihr Verhältnis zu anderen Elementen werden außer Acht gelassen.^[1]

Die Darstellung der Sekundärstruktur eines Polymers bietet einen besseren Überblick als die Darstellung seiner vollständigen Molekülstruktur und gibt zugleich einen wesentlich genaueren Einblick in die tatsächliche Struktur als die Darstellung in der Pauli-Schreibweise oder der Fischer-Projektion.

Die Sekundärstruktur geht aus der Primärstruktur hervor. Für die topologische Anordnung der Atome im Raum sind Wasserstoffbrücken zwischen den Atomen verantwortlich.^[2] Auch die Form der Polymerisierung kann, etwa bei Polysacchariden, Einfluss auf die Sekundärstruktur nehmen.

Die Tertiärstruktur und die Quartärstruktur stellen übergeordnete Strukturebenen dar. Die Einteilung zu einer Hierarchie in Primärstruktur, Sekundärstruktur, Tertiärstruktur und Quartärstruktur wurde 1952 durch Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang vorgeschlagen.

Sekundärstruktur von Proteinen

Arten von Helices in Proteinen: Von oben nach unten: 3₁₀-Helix, α-Helix, π-Helix. Angezeigt werden auch die Wasserstoffbrücken, berechnet nach dem DSSP-Algorithmus.

Bei Proteinen wird die Sekundärstruktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den CO- und NH-Gruppen des Peptidrückgrats bestimmt. Daraus ergeben sich unüberschaubar viele Konformationsmöglichkeiten für jedes Protein. Es zeigt sich jedoch, dass sich einige Motive immer wieder finden. Diese werden als Sekundärstrukturelemente bezeichnet.

Es wird unterschieden zwischen:

• α-Helix
• π-Helix
• 3₁₀-Helix
• linksgängige α-Helix der Kollagene
• β-Faltblatt
• β-Schleife
• Random Coil: Bereiche, die keine definierte Sekundärstruktur aufweisen

Mit Ausnahme der Beta-Schleifen und Random coils zeichnen sich diese Bereiche dadurch aus, dass in ihnen die beiden einzig möglichen Drehwinkel ψ und φ des Peptidrückgrates festgelegt sind und sich über die Länge des Sekundärstrukturelementes hindurch periodisch wiederholen. Im Ramachandran-Plot sind die möglichen Sekundärstrukturen als Funktion der zugehörigen ψ/φ Winkelpaare dargestellt. Durch die Wasserstoffbrücken innerhalb des Peptidrückgrates werden die Sekundärstrukturelemente energetisch stabilisiert. Je nach Art des Sekundärstrukturelements können bestimmte Aminosäureseitenketten auf dessen Struktur destabilisierend wirken.

Die Helices von α-Helix, π-Helix, 3₁₀-Helix zeigen folgende Wasserstoffbrückenbindungen auf:

Je nach dem in welcher Distanz, die Wasserstoffbrücken auftreten,ergeben sich die verschiedenartigen Helices (mit verschiedenen Durchmessern, bzw. Anzahl Aminosäuren pro Drehung). Die Aminosäurereste wurden der Einfachheit halber nicht eingezeichnet.

Daneben resultiert eine weitere Wechselwirkung durch das π*-Orbital des C=O Kohlenstoffes mit einem der beiden Lonepairs des darauffolgenden C=O Sauerstoffes. Dies führt zu einer Pyramidalisierung, der sonst planaren Amide.

Die Sekundärstruktur eines Proteins besteht aus verschiedenen Sekundärstrukturelementen. Die vollständige Proteinstruktur (d.h. die Abfolge bzw. Anordnung der Sekundärstrukturelemente) wird als Tertiärstruktur bezeichnet. Sie ist für jedes Protein charakteristisch und für die biologische Funktion unbedingt notwendig. Während bzw. nach der Translation eines RNA-Moleküls werden die Sekundärstruktur und die höheren Strukturebenen des Proteins ausgebildet. Dieser Proteinfaltung genannte Vorgang wird bei den meisten Proteinen u.a. durch Chaperone unterstützt, geschieht bei kleinen Proteinen jedoch teilweise auch spontan.^[3]

Sekundärstruktur von Nukleinsäuren

Auch Nukleinsäuren, also DNA und RNA, können Sekundärstrukturen bilden. Voraussetzung hierfür ist, dass das Nukleinsäuremolekül zunächst als Einzelstrang vorliegt. Komplementäre Abschnitte können dann Wasserstoffbrücken ausbilden, was zur Bildung von intramolekularen Doppelsträngen führt. Nicht komplementäre Abschnitte bleiben einzelsträngig. Sekundärstrukturen von Nukleinsäuren bezeichnet man in Anlehnung an ihre Form als Haarnadelstruktur (hairpin loop) wenn ein gepaarter doppelsträngiger Abschnitt (Stamm) einen kurzen einzelsträngigen Abschnitt (kleine Schleife) einschließt oder als stem-loop, wenn ein solcher Stamm einen längeren einzelsträngigen Abschnitt (große Schleife) einschließt.

Die Sekundärstrukturen haben wichtige Funktionen bei der Regulation der Transkription. Sie können als Primer dienen (siehe Telomerase) oder Voraussetzung für die enzymatische Aktivität der Ribosomen sein (siehe rRNA).

Algorithmen zur RNA-Strukturvorhersage

• Nussinov-Algorithmus
• Zuker-Algorithmus
• Sankoff-Algorithmus

Einzelnachweise