Ohne Proteine funktioniert in unserem Körper – in der gesamten Biologie – gar nichts. Informationen und Energie liefern DNA, Zucker und Fette – aber die Arbeit wird von Enzymen und Proteinen gemacht. An jeder Reaktion, jedem Signalweg, jedem Transport sind sie beteiligt. Ihr Aufbau erscheint zunächst ebenso komplex wie ihre Funktion, doch die Hierarchie der Proteinstrukturen folgt klaren Schritten.

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Peptidbindung

Bild: “Peptide Bond“ von PhilSchatz. Lizenz: CC BY 4.0


Peptidbindung der Aminosäuren

Jedes Protein besteht aus einer Kette aus Aminosäuren. Alle Lebensformen, ob Bakterium oder Mensch, verwenden die gleichen 20 Aminosäuren. Gemessen an der Vielfalt der Proteine ist dies eine beachtlich kleine Zahl. Eine Aminosäure besteht aus einem α-C-Atom, an welches eine Aminogruppe (NH3+), eine Carboxyl-Gruppe (COOH) und ein Rest (oft als Seitenkette bezeichnet) gebunden ist. Die proteinogenen (= in Proteinen vorkommend) Aminosäuren liegen alle als L-Isomer vor.

struktur aminosäure

Bild: “Struktur Aminosäure” von PhilSchatz. Lizenz: CC BY 4.0

Bei einem neutralen pH liegt die Aminosäure als Dipol vor, d.h. die Carboxyl-Gruppe ist einfach negativ geladen und die Aminogruppe einfach positiv. Aminosäuren werden deshalb auch oftmals als Zwitterionen bezeichnet. Die Seitenketten, welche die 20 verschiedenen Aminosäuren ausmachen, unterscheiden sich hinsichtlich Größe, Ladung, chemische Reaktivität und Gestalt.

Einteilung der proteinogenen Aminosäuren

Nach diesen Kriterien werden Aminosäuren oft nach ihren hydrophilen (polaren) und hydrophoben (unpolaren) Eigenschaften, sowie nach sauren und basischen Aminosäuren unterschieden.

Übersicht der 20 proteinogenen Aminosäuren nach Eigenschaften gruppiert

Bild: “Übersicht der 20 proteinogenen Aminosäuren nach Eigenschaften gruppiert” von Sponk. Lizenz: Public Domain

Desweiteren werden Aminosäuren in essentielle und nicht-essentielle Aminosäuren unterteilt. Essentielle Aminosäuren können nicht vom Körper synthetisiert werden und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Für den Menschen sind das 8 Aminosäuren.

Merke: Die phenomenale Isolde trübt(trypt) mitunter Leutnant Valentins lysterne Träume ⇒ Phenylalanin, Isoleucin, Tryptophan, Methionin, Leucin, Valin, Lysin und Threonin

Von der Aminosäure zum Peptid – Kondensationsreaktion

Als Peptid wird eine lineare Kette aus Aminosäuren bezeichnet. Hierzu reagiert die Aminogruppe einer Aminosäure mit einer Carboxyl-Gruppe einer anderen Aminosäure. Unter Abspaltung eines H2O-Moleküls (= Kondensation) entsteht eine Bindung zwischen dem C-Atom der Carboxyl-Gruppe und dem N-Atom der Aminogruppe.

Peptidbindung

Bild: “Peptide Bond“ von PhilSchatz. Lizenz: CC BY 4.0

Energetisch betrachtet muss viel Energie zur Bildung dieser Verbindung aufgebracht werden, wohingegen die Spaltung ohne Energieaufwand abläuft. Dennoch kann dieser Vorgang beliebig oft wiederholt werden, sodass Peptidketten mit über 4000 Aminosäuren entstehen können. Der „Anfang“ einer solchen Kette besitzt eine freie Aminogruppe, das „Ende“ dieser Kette eine freie Carboxyl-Gruppe.

Merke: Peptidketten besitzen eine (Lese-)Richtung, welche klassischerweise vom N-Terminus (freie NH3-Gruppe) zum C-Terminus( freie Carboxyl-Gruppe) reicht.

Besonderheiten der Peptidbindung

Die Peptidbindung selbst ist starr, d. h. die Aminosäuren können an dieser Bindung nicht gedreht werden. Chemisch begründet sich diese Starrheit in dem partiellen Doppelbindungscharakter der Peptidbindung. Das bedeutet, dass ein Elektronenpaar der Doppelbindung zwischen C-Atom und O-Atom (siehe oben) auch an die Peptidbindung „ausgeliehen“ werden kann, und die Peptidbindung somit vorrübergehend eine starre Doppelbindung ist.

Diese Starrheit ist wichtig, um eine stabile, native Konformation der Peptide zu gewährleisten. Variiert werden kann diese Konformation durch die rotierbaren Bindungen neben der Peptidbindung, also zwischen α-C-Atom und Carboxyl- bzw. Aminogruppe. Hierdurch können die Seitengruppen flexibel im Raum angeordnet werden und somit mit den Seitenketten anderer Aminosäuren interagieren.

Hierarchie der Proteinstrukturen

Primärstruktur

Als Primärstruktur wird die Abfolge der Aminosäuren in der oben beschriebenen Aminosäurekette bezeichnet. Diese Sequenz ist durch den genetischen Code festgelegt und die einzelnen Aminosäuren kovalent verknüpft.

Sekundärstruktur

Als Sekundärstruktur wird die räumliche Anordnung sich naher Aminosäuren bezeichnet. Es muss immer unterschieden werden, ob von räumlicher Nähe oder Nähe in der Abfolge der Aminosäuresequenz gesprochen wird. Hier ist die Nähe in der Sequenzabfolge gemeint. Beispiele einer solchen Sekundärstruktur sind die α-Helix sowie das β-Faltblatt. Ein wichtige Voraussetzung zur Ausbildung dieser Strukturen sind Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Seitenketten.

Tertiärstruktur

Es gibt zudem noch räumliche Strukturen, die sich zwischen in der Sequenz weit voneinander entfernten Aminosäuren ausbilden. Disulfidbrücken zwischen bestimmten Seitenketten tragen bspw. zur Ausbildung dieser Strukturen bei. Wie bereits auffällt, sind diese Definitionen nicht exakt und der Übergang zwischen Sekundärstruktur und Tertiärstruktur ist fließend.

Quartärstruktur

Diese Struktur ist deutlich von den vorherigen Strukturen abgegrenzt. Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur beziehen sich alle auf eine lineare Aminosäurekette. Es gibt jedoch Proteine, welche aus mehreren linearen Polypeptidketten bestehen. Eine Polypeptidkette bildet eine sog. Untereinheit. Die Beschaffenheit der Bindungen, Interaktionen und räumliche Anordnung der Untereinheiten zueinander, wird von der Quartärstruktur beschrieben.

Denaturierung und Renaturierung

Unter Denaturierung wird der Konformationsverlust eines Proteins verstanden. Bewirkt werden kann eine Denaturierung z. B. durch Hitze, Säuren oder andere Detergenzien. Davon betroffen sind Sekundär-, Tertiär- und somit auch Quartärstruktur. Kovalente Bindungen werden bei einer Denaturierung nicht gespalten, sodass die Primärstruktur des Proteins erhalten bleibt. Ein Verlust der nativen Konformation bewirkt jedoch meist auch einen Funktionsverlust.

Die reversible Denaturierung, z. B. durch langsames Erhitzen, ist ein umkehrbarer Vorgang. Nach einer Abkühlung kann sich das Protein erneut falten. Dieser Vorgang wird Renaturierung genannt. Ist die Hitzezufuhr jedoch zu stark oder hält zu lange an, ist das Protein dauerhaft geschädigt und es hat eine irreversible Denaturierung stattgefunden.

Ein gutes Beispiel aus der Klinik ist das Fieber. Während dieser Temperaturerhöhung kommt es zunächst zur reversiblen Denaturierung einiger Proteine. Steigt das Fieber jedoch über das Temperaturoptimum von 39 Grad Celsius an und bleibt für mehrere Stunden hoch, kann es zur irreversiblen Denaturierung der Proteine kommen.

Helfer der Proteinfaltung

Die Raum-Struktur wird im Wesentlichen von der Primärstruktur vorgegeben. Je nach Anordnung der verschiedenen Aminosäuren, werden bestimmte Strukturen begünstigt. Glutamat, Alanin und Leucin fördern die Ausbildung einer α-Helix, wohingegen Isoleucin und Valin eher in β-Faltblättern zu finden sind.

In Zellen befinden sich jedoch auch Enzyme, welche die Faltung der Peptidketten katalysieren. So tragen verschiedene Isomerasen und Chaperone dazu bei, eine schnelle Faltung großer Proteine zu ermöglichen.

Hämoglobin – Das Protein unseres Blutes

Ein bekanntes und lebenswichtiges Protein ist das Hämoglobin, welches sich in den Erythrozyten befindet und am Sauerstofftransport beteiligt ist. Ein Hämoglobin wird aus 4 Untereinheiten gebildet. Im adulten Blut handelt es sich dabei um zwei α-Untereinheiten und zwei β-Untereinheiten, die zusammen die Quartärstruktur des Proteins bilden.

Jede Untereinheit bildet in ihrer Tertiärstruktur eine „Tasche“ im Molekülinneren aus, in welcher eine prosthetische Gruppe, d. h. ein nicht aus Aminosäuren-bestehender Teil, sitzt. Im Fall von Hämoglobin besteht diese aus einem Tetrapyrolring sowie einem Eisen-Atom. Proteine ohne ihre prosthetische Gruppe werden Apoproteine genannt.

Hämoglobin

Bild: “Hemoglobin“ von PhilSchatz. Lizenz: CC BY 4.0

Diese Häm-Gruppe kann das zu transportierende Sauerstoff-Molekül binden. Demnach kann ein Molekül Sauerstoff pro Peptidkette (Tertiärstruktur) und  4 Moleküle Sauerstoff pro Hämoglobin (Quartärstruktur) transportiert werden. Das Geknäuel einer Untereinheit besteht zu einem großen Teil aus α-Helices (Sekundärstruktur).

Interessant ist, dass die Sequenz der 146 Aminosäuren einer Peptidkette (Primärstruktur), sich im Vergleich zum Hämoglobin anderer Arten stark unterscheidet. Lediglich die Aminosäuren, welche im Molekülinneren sind und/oder einen Teil der Häm-Gruppe bilden, sind stark konserviert. Dies zeigt, dass man einerseits Vorhersagen über Sekundär- und Tertiärstrukturen anhand der Sequenz machen kann, andererseits keine absolut sichere Aussage treffen kann. Auch ganz unterschiedliche Sequenzen können zu ähnlichen räumlichen Anordnungen führen.

Hier lesen Sie mehr über Aminosäuren und Proteine und den Aminosäurestoffwechsel.

Beliebte Prüfungsfragen zur kovalenten Grundstruktur

Die Antworten befinden sich unterhalb der Quellenangabe.

1. Welche Zuordnung ist richtig?

  1. Sauer – Lysin
  2. Hydrophob – Lysin
  3. Polar – Asparagin
  4. Basisch – Asparaginsäure
  5. Unpolar – Serin

2. Eine α-Helix…

  1. …besteht zu einem großen Teil aus Isoleucin.
  2. …ist eine klassische Tertiärstruktur.
  3. …kann sowohl Bestandteil einer Primär- als auch einer Sekundär – oder Tertiärstruktur sein.
  4. …ist eine wichtige Struktur des Hämoglobins.
  5. …wird mithilfe von Disulfidbrücken gebildet.

3. Welche Antwort bezüglich des Hämoglobins ist falsch?

  1. Ein Hämoglobin besitzt 4 Eisen-Atome.
  2. Die prosthetische Gruppe bildet die „Sauerstofftasche“ und besteht ausschließlich aus Seitenketten der Aminosäuren.
  3. Die zwei α-Untereinheiten und zwei β-Untereinheiten bilden die Quartärstruktur des Hämoglobins aus.
  4. Nur einige wenige Aminosäuren der Primärstruktur sind hoch konserviert.
  5. Die Häm-Gruppe bindet das zu transportierende Sauerstoffmolekül.

Quellen

Peptide und Proteine: Strukturen, Eigenschaften und Funktionen via chemgapedia.de

Peptidbindung via spektrum.de

Denaturierung (Biochemie) via chemie.de

Stryer: Biochemie, 4. Auflage, Spektrum Verlag

Antworten zu den Prüfungsfragen: 1C, 2D, 3B

 

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