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Schwache Wechselwirkungen in biologischen Systemen

Wasserstoff-Brücken in biologischen Systemen

Die Wasserstoff-Brückenbindung ist die wichtigste inter- oder intramolekulare Wechselwirkung in der Biochemie.

Die häufigsten Typen von Wasserstoff-Brücken werden zwischen den Sauerstoff- und Stickstoff-Atomen gebildet, die aufgrund ihrer freien Elektronenpaare sowohl als Wasserstoff-Akzeptoren wie auch als Wasserstoff-Donatoren fungieren können.

Abb.1

Wasserstoff-Brücken in Proteinen

Wasserstoff-Brücken haben bei Proteinen strukturgebende Eigenschaften. Sie bilden sich bevorzugt in α-Helices und β-Faltblattstrukturen aus und stabilisieren nicht nur die verschiedenen Strukturelemente in Proteinen, sondern auch ihre nativen Konformationen und sind für den Zusammenhalt von Proteinuntereinheiten zu großen Proteinkomplexen verantwortlich.

In Enzymen spielen die Wasserstoff-Brücken eine wichtige Rolle. Während der Bildung des Substrat-Enzym-Komplexes ist es gerade die Ausbildung der schwachen Wechselwirkungen zwischen Substrat und Enzym, welche die Substrat-Bindungsenergie freisetzt. Dadurch wird die Aktivierungsenergie erniedrigt und so die katalytische Reaktion ermöglicht.

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Abb.2

3D-Struktur des Photorezeptors aus Purpurmembranen des Archaebakteriums Halobacterium halobium mit kovalent gebundenem all-trans Retinal (in roter Farbe; PDB-Code: 1BAC).

Abb.3

3D-Struktur des toxischen Polypeptids Colicin N aus E. coli (PDB-Code: 1A87); gezeigt sind die Rezeptor-bindende- und Poren-bildende Domäne.

Abb.4

Maltodextrin-Bindungsprotein mit gebundener Maltotetrose (PDB-Code: 4MBP)

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Abb.5
Wasserstoff-Brücken in Nucleinsäuren

Wasserstoff-Brücken zwischen den Basen der DNA (grün gestrichelt, zwei H-Brücken zwischen A und T sowie drei zwischen G und C).

Auch bei der biologischen Informationsübertragung sind die Wasserstoff-Brücken von entscheidender Bedeutung. Die beiden Stränge der DNA werden von Wasserstoff-Brücken zwischen den paarweise komplementären Nucleotiden zusammengehalten. Diese spezifische Basenpaarung ermöglicht die Verdopplung der genetischen Information.

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