Proteine übernehmen im menschlichen Organismus zahlreiche, wichtige Funktionen. In allen Zellkompartimenten finden sich Strukturproteine. Intrazellulär sorgen Motorproteine energieabhängig für den Transport von Vesikeln. Signalproteine empfangen und übermitteln Informationen. Transport- und Speicherproteine binden beispielsweise Sauerstoff, um ihn dorthin zu befördern, wo er benötigt wird. Von großer Bedeutung sind ebenso die Enzymproteine, die biologischen Katalysatoren, ohne die ein reibungsloser Energie- und Baustoffwechsel kaum möglich wäre. Dieser Beitrag stellt die Aminosäuren als Bausteine der Proteine in ihrem Aufbau sowie chemischen Besonderheiten vor und zeigt, wie sie der Vielfalt ihrer Aufgaben gerecht werden können.
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Bild: „Protein®“ von Ilias Bartolini. Lizenz: CC BY 2.0


Allgemeiner Aufbau einer Aminosäure: Der Rest macht den Unterschied

Die Bestandteile einer Aminosäure lassen sich schon über ihren Namen ableiten: Sie ist eine Carbonsäure, besitzt also eine Carboxylgruppe. Hinzu kommt eine Aminogruppe auf der linken Seite des α-C-Atoms, das zweite Kohlenstoffatom nach dem C-Atom mit der höchsten Oxidationsstufe. In diesem Fall ist es das C-Atom der Carboxylgruppe. Man spricht hier also genau genommen von α-L-Aminosäuren. Neben der Carboxyl- und Aminogruppe sind ein Wasserstoffatom und ein sog. Rest (Seitenkette) am α-C-Atom substituiert. Die einzelnen Aminosäuren unterscheiden sich in ihrem Rest, der die spezifischen Eigenschaften ausmacht.

Unter den proteinogenen Aminosäuren versteht man jene, die in menschlichen Proteinen zu finden sind. Insgesamt sind derzeit 21 verschiedene bekannt, die man folgenden Untergruppen zuordnen kann:

  • unpolare Seitenketten: Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Methionin, Prolin, Phenylalanin, Tryptophan
  • ungeladene, polare Seitenketten: Tyrosin, Serin, Threonin, Cystein, Selenocystein, Asparagin, Glutamin
  • saure Seitenketten: Aspartat, Glutamat
  • basische Seitenketten: Lysin, Arginin, Histidin

Die essenziellen Aminosäuren sind solche, die über die Nahrung zugeführt werden müssen, da sie im Organismus nicht selbst synthetisiert werden können. Zu ihnen gehören: Methionin, Threonin, Valin, Histidin, Tryptophan, Phenylalanin, Isoleucin, Leucin und Lysin.

aminosäuren übersicht

Übersicht proteinogene Aminosäuren

Chemische Eigenschaften der Aminosäuren

Aminosäuren sind amphotere Moleküle. Das bedeutet, sie besitzen sowohl saure als auch basische Eigenschaften und stellen dadurch sehr gute Puffersysteme dar. Der Grund dafür sind die vorhandenen funktionellen Gruppen: Die Aminogruppe weist ein freies ungebundenes Elektronenpaar am N-Atom auf, sodass es basisch wirkt, d.h. gern ein Proton aufnimmt. Die Carboxylgruppe hingegen gibt durch den positiven Ladungsschwerpunkt am H-Atom gern ein Proton ab, wirkt also sauer. Ein und das selbe Molekül kann gleichzeitig die Rolle des Protonenakzeptors und die des Protonendonators einnehmen.

Diese intrazelluläre Protolysereaktion führt zur Ausbildung von Zwitterionen, Ammoniumcarboxylate, die sich im festen Kristallgitter zusammen lagern. Sie zeichnen sich durch hohe Schmelztemperaturen und gute Wasserlöslichkeit aus (analog Ionenbindung).
In wässriger Lösung ist der pH-Wert entscheidend. Beim Isoelektrischen Punkt (IEP = bestimmter ph-Wert) liegen Aminosäuren als Zwitterionen vor. Befindet sich der pH-Wert der Lösung unter dem IEP (saure Lösung), so sind sie, durch die Aufnahme von Protonen, Kationen. Das Proton wird vom N-Atom der Aminogruppe aufgenommen, die dadurch zur Ammoniumgruppe wird.
Sie bilden eher Anionen, wenn der pH größer ist als der IEP. Dann stehen viele Hydroxidionen zur Verfügung, die ein Proton von der Carboxylgruppe entziehen. Diese wird folgend zur deprotonierten Carboxylatgruppe.
Stellt man dieses ph-abhängige Verhalten graphisch dar, erhält man die Titrationskurve einer Aminosäure:

  • Bei sehr niedrigen pH-Werten liegen die Aminosäuren in höchster, protonierter Form vor: Ammoniumform/konjugierte Säure/Kation
  • Mit steigendem pH-Wert geben immer mehr Carboxylgruppen ihr Protonen ab. Erreicht der pH den pKs1-Wert, so ist die Konzentration der kationischen Form = die, der zwitterionischen Form.
  • Nimmt der pH-Wert weiter über den pKs1-Wert hinaus zu, so überwiegt die Konzentration des Zwitterions. Bei pH=IEP finden sich nur noch Zwitterionen.
  • Mit weiterem Anstieg des pH-Wertes gibt auch die Ammoniumgruppe ihr Proton ab. Die Konzentration der anionischen Form nimmt zu bis der pKs2-Wert erreicht wird. Dann entspricht wieder die Konzentration des Zwitterions = die, der Anionen.
  • Bei sehr hohen pH-Werten finden man in der Lösung nur noch die Carboxylatform/konjugierte Base/Anionen. Das ist die höchste, deprotonierte Form der Aminosäure.

Die pks- und IEP-Werte sind für jeweils charakteristisch. Wenn noch weitere protonierbare bzw. deprotonierbare Seitenketten vorhanden sind, können zusätzlich pKs3 und pKs4-Werte beschrieben werden.

4 typische Reaktionen der Aminosäuren

Bei der Decarboxylierung einer Aminosäure werden biogene, primäre Amine und CO2 gebildet. Sie übernehmen z.B. wichtige Transmitterfunktionen: Aus Tyrosin und Phenylalanin entstehen Catecholamine, wie Adrenalin und Noradrenalin. Aus Glutamat geht der bedeutende, inhibitorische Transmitter GABA hervor. Ein weiteres Beispiel ist Histidin, aus dem Histamin gebildet wird. Dieses Gewebshormon wird u.a. für die allergische Sofortreaktion verantwortlich gemacht.

Die Transaminierung bezeichnet eine Reaktion, bei der eine Aminosäure 1 mit einer α-Ketosäure 2 unter der katalysierenden Aminotransferase reagiert. Wie der Name schon sagt, wird die Aminogruppe ausgetauscht: Aus der Aminosäure 1 wird eine α-Ketosäure 1, die α-Ketosäure 2 wird zur Aminosäure 2.

Unter der nicht-dehydrierenden Desaminierung (oder auch eliminierende Desaminierung) versteht man die Abspaltung von Wasser von bestimmten Aminosäuren. Über ein instabiles Zwischenprodukt entsteht eine α-Ketosäure und Ammoniak.

Die oben genannten drei Reaktionen benötigen jeweils das PLP als Cofaktor. Anders die vierte typische Reaktion, die Aminosäuren eingehen: Die oxidative Desaminierung. Stattdessen wird Wasser und NAD+ benötigt. Letzteres wird zu NADPH/H+ reduziert. Wie bei der eliminierenden Desaminierung entsteht auch hier Ammoniak und die korrespondierende α-Ketosäure.

Von der Aminosäure zum Protein

Die Eigenschaften der Substituenten sorgen nicht nur für intramolekulare, sondern auch intermolekulare Interaktionen. Verbinden sich zwei Aminosäuren über die sog. Peptidbindung, so entstehen Dipeptide, kommt noch eine hinzu, spricht man von Tripeptiden. Oligopeptide sind aus bis zu 10 Aminosäure aufgebaut, Polypeptide aus mehr als 10. Falten sich die Polypeptide oder lagern sich mehrere zusammen, so erhält man ein Protein mit über 100 und gar tausenden von Aminosäuren. Das größte bekannte Protein des menschlichen Körpers ist das Titin mit 30.000 Aminosäuren.

Die Peptidbindung ist eine Säureamidbindung, bei der also die nucleophil angreifende Aminogruppe der Aminosäure 2 und die Carboxylgruppe der Aminosäure 1 mit einander verknüpft werden. Dabei wird Wasser abgespalten, weshalb dies eine Kondensationsreaktion darstellt.
Die an der Bindung beteiligten Gruppen liegen in einer planaren Ebene und zeichnen sich außerdem durch Mesomerie aus. Das erklärt, warum Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Aminosäuren eines Proteins aufgebaut werden können, was eine entscheidende Grundlage für die Proteinfaltung ist.

peptidbindung mesomerie

mesomere Grenzstrukturen der Peptidbindung

Das Kettenende, das über eine ungebundene Aminogruppe verfügt, wird N-terminales Ende bezeichnet. Das Kettenende mit der ungebundenen Carboxylgruppe bezeichnet man entsprechend als C-terminales Ende. In der Nomenklatur wird immer vom N-terminalen zum C-terminalen Ende gelesen, sodass eine andere Reihenfolge der Aminosäuren ein anderes Molekül daraus macht. Die nahezu riesengroße Anzahl an möglichen Kombinationen errechnet sich nach:

xn

wobei x = Anzahl der unterschiedlichen Aminosäuren
und n = Anzahl der Aminosäuren in der Kette (Kettenlänge)

Strukturprinzipien von Proteinen

Die Gesamtstruktur eines Proteins kann sehr komplex sein. Zur vereinfachten Veranschaulichung werden 4 Ebenen betrachtet, die von der Primär- zur Quartärstruktur ein allmähliches „Herauszoomen“ darstellen.

Primärstruktur – Ganz tief ins Protein geschaut

Als Primärstruktur eines Proteins bezeichnet man seine Aminosäuresequenz, also die Art und die Reihenfolge der Aminosäuren in der Polypeptidkette.
Bsp.: Glycin – Alanin – Tryptophan – Glutamin

Sekundärstruktur – Abschnittsweise betrachtet

Benachbarte Abschnitte des Peptids können in Wechselwirkung zu einander treten. Deren räumliche Anordnung wird in der Sekundärstruktur beschrieben, wobei es verschiedene Gebilde gibt. Zu den wichtigsten gehört zum einen die α-Helixstruktur, bei der die Kette sich rechtsgängig aufwindet. Eine Windung enthält 3,6 Aminosäuren. Den inneren Teil bildet die Hauptkette, die Seitenketten ragen stachelartig nach außen. Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der NH-Gruppe einer Peptidbindung und der CO-Gruppe der 4. darauffolgenden Peptidbindung (stehen sich durch die Windung gegenüber) stabilisieren die Helixstruktur. Geladene Seitenketten wirken allerdings dahingehend ungünstig. Mehrere Helices können zu engen, verknäuelten Bündeln zusammen gelagert oder zu sog. Coiled-coil-Strukturen verflochten sein.

Zum anderen treten oft β-Faltblattstrukturen auf, wobei die Peptidbindung immer in einer planaren Ebene liegt und die Kette davor und dahinter zick-zack-förmig abknickt. Die Seitenketten ragen aus dem Faltblatt abwechselnd nach unten oder oben heraus. Dafür müssen sie relativ kurz sein. Man unterscheidet parallele und antiparallele Faltblätter, je nach Ausrichtung der N- und C-terminalen Enden. Die antiparallele Anordnung, bei der ein N-Terminus einem C-Terminus gegenüber liegt ist stabiler. Im Gegensatz zur Helixstruktur bilden sich hier intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen aus.
Peptidketten werden immer so gefaltet, dass eine größtmögliche Anzahl an Wasserstoffbrückenbindungen erzeugt werden.

Tertriärstruktur – ganze Kette

Die Tertiärstruktur gibt die räumliche Struktur einer ganzen Peptidkette an. In dieser lassen sich verschiedene Gebilde, wie z.B. Helixstrukturen, Faltblattstrukturen, Schleifen oder ungeordnete/unregelmäßige Abschnitte differenzieren. Sie entstehen durch Wechselwirkungen und Bindungen, die zumeist zwischen den Seitenketten ausgebildet werden:

  • Van-derWhaals-Kräfte als hydrophobe Wechselwirkung, z.B. zwischen unpolaren Seitenketten
  • Wasserstoffbrückenbindungen zwischen bestimmten polaren Seitenketten
  • Ionenbindungen, z.B. zwischen der Aminogruppe einer basischen Aminosäure und der Carboxylgruppe einer sauren Aminosäure
  • besonders stabile, kovalente Disulfidbrücken zwischen zwei Cystein-Resten (-SH), dadurch entstehe sog. Loops
  • Esterbindungen

Bei der Denaturierung von Proteinen geht immer die Tertiärstruktur verloren. Bestehende Bindungen werden aufgebrochen und neue geknüpft, sodass die Eigenschaften und Funktionen der ursprünglichen Proteinstruktur verloren gehen (können).

Quartärstruktur – große Funktionseinheiten

Große Proteine bestehen nicht nur aus einer Polypeptidkette, sondern mehreren Untereinheiten, die zusammen eine Funktionseinheit bilden. Zusätzlich können Bindungen zu Kohlenhydraten, Heterocyclen und anderen Molekülarten bestehen, was die Vielfältigkeit ihrer Funktionen unterstreicht. Die Wechselwirkungen, die schon beim Abschnitt zur Tertiärstruktur erläutert wurden, treten hier zwischen den einzelnen Untereinheiten wieder auf.

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Auswahl vergangener Beiträge:

Isomerie – warum Glucose nicht gleich Glucose ist

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Warum Fette und Fettsäuren wichtig für den Körper sind

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