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B978-3-437-43325-2.00005-6

10.1016/B978-3-437-43325-2.00005-6

978-3-437-43325-2

Wichtige Aminosäuren mit Namen, Abkürzung und Strukturformel.

Wichtige Aminosäuren mit Namen, Abkürzung und Strukturformel.

Titrationskurve von Glycinhydrochlorid: Dissoziationsgleichgewichte konjugierter Säure/Basen-Paare: pK COOH: Kation/Zwitterion; pK NH3+: Zwitterion/Anion; IP = pH am isoelektrischen Punkt.

Sequenzisomere des Dipeptids aus Alanin und Glycin.

Mesomeriestabilisierung und partieller Doppelbindungscharakter der Peptidbindung (oben) und daraus resultierende cis- und trans-Konfiguration der C–N-Bindung (unten).

Sekundärstrukturen der Proteine: α-Helix und β-Faltblatt.

Aminosäuren, Peptide, Proteine

  • 5.1

    Wegweiser93

  • 5.2

    Aminosäuren93

    • 5.2.1

      Klassifizierung93

    • 5.2.2

      Eigenschaften94

    • 5.2.3

      Beispiele98

    • 5.2.4

      Reaktionen98

  • 5.3

    Peptide99

    • 5.3.1

      Klassifizierung und Aufbau99

    • 5.3.2

      Peptidbindung99

    • 5.3.3

      Reaktionen100

  • 5.4

    Proteine101

    • 5.4.1

      Klassifizierung und Aufbau101

    • 5.4.2

      Eigenschaften102

    • 5.4.3

      Strukturaufklärung104

IMPP-Hits

  • Klassifizierung der Aminosäuren (Kap. 5.2.1)ProteinePeptideAminosäuren

  • Eigenschaften der Aminosäuren (Kap. 5.2.2)

  • Reaktionen der Peptide (Kap. 5.3.3)

  • Klassifizierung und Aufbau der Proteine (Kap. 5.4.1)

Wegweiser

Aminosäuren leiten sich von den Carbonsäuren ab, indem ein H-Atom am aliphatischen oder aromatischen Rest durch eine Aminogruppe ersetzt wurde (Kap. 5.2). Eine Carboxylgruppe und eine Aminogruppe können sich unter Wasserabspaltung miteinander verbinden. Diese Bindungsart wird als Peptidbindung bezeichnet. Zwei oder mehrere so verbundene Aminosäuren bilden ein Peptid (Kap. 5.3). Die Aminosäurenkette der Peptide kann aus nur wenigen Bausteinen, aber auch aus mehreren tausend Aminosäuren bestehen. Proteine, auch Eiweiße genannt, sind Polypeptide (Kap. 5.4). Sie bestehen aus einer langen Kette von Aminosäuren.

Aminosäuren

Klassifizierung

AminosäurenAminosäuren:KlassifizierungZunächst lassen sich die Aminosäuren nach ihrer Struktur einteilen. Beim Abbau von Proteinen finden sich 20 verschiedene Aminosäuren, die sich in ihrer Grundstruktur ähneln. Nach der Stellung der Aminogruppe werden die Aminosäuren in α-, β- oder γ-Aminosäuren eingeteilt. Die meisten biologisch wichtigen Aminosäuren sind α-Aminosäuren. Sie unterscheiden sich durch den Rest R am α-C-Atom:
Das α-C-Atom trägt 4 verschiedene Substituenten, es bildet somit ein Chiralitätszentrum. Bei den Aminosäuren lassen sich eine L- und eine D-Reihe unterscheiden (Kap. 2.6.4.2):
Eine Übersicht der biologisch wichtigen Aminosäuren ist in Abb. 5.1 zusammengestellt. Die Namen der Aminosäuren werden bei der Angabe der Sequenz in Peptiden international durch einen Drei-Buchstaben-Code oder einen Ein-Buchstaben-Code abgekürzt.
An den abgebildeten Aminosäuren wird deutlich:

  • Alle natürlichen Aminosäuren mit Ausnahme von β-Alanin und γ-Aminobuttersäure sind α-Aminosäuren.

  • Alle chiralen Aminosäuren beim Menschen sind l-Aminosäuren.

D-Aminosäuren kommen häufig bei Bakterien vor.
Die Aminosäuren werden nach weiteren Unterscheidungskriterien klassifiziert:
  • Vorkommen in Proteinen:

    • Proteinogene Aminosäuren:proteinogeneAminosäuren sind diejenigen Aminosäuren, die als Bausteine der Proteine auftreten. Die 20 proteinogenen Aminosäuren sind: Alanin (Ala), Asparagin (Asn), Asparaginsäure (Asp), Arginin (Arg), Cystein (Cys), Glutamin (Gln), Glutaminsäure (Glu), Glycin (Gly), Histidin (His), Isoleucin (Ile), Leucin (Leu), Lysin (Lys), Methionin (Met), Phenylalanin (Phe), Prolin (Pro), Serin (Ser), Threonin (Thr), Tryptophan (Trp), Tyrosin (Tyr) und Valin (Val).

    • Nicht proteinogene Aminosäuren:nicht proteinogeneAminosäuren spielen im Stoffwechsel eine Rolle, kommen aber nicht in Proteinen vor. Nicht proteinogen sind z. B. Ornithin und Citrullin.

  • Aufnahme mit der Nahrung:

    • Essenzielle Aminosäuren:essentielleAminosäuren müssen mit der Nahrung zugeführt werden. Essenziell sind 10 der 20 proteinogene Aminosäuren: Arginin, Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin. Davon sind Arginin und Histidin nur für Säuglinge essenziell.

    • Nichtessenzielle Aminosäuren:nicht essentielleAminosäuren können im Körper selbst synthetisiert werden. Durch Transaminierung kann eine Aminosäure in eine andere umgewandelt werden. So kann der Körper z. B. Tyrosin aus Phenylalanin oder Cystein aus Methionin herstellen.

  • Chemische Struktur:

    • Aliphatische Aminosäuren:aliphatischeAminosäuren enthalten einen verzweigten oder unverzweigten Kohlenstoffrest als Seitenkette.

    • Aromatische Aminosäuren:aromatischeAminosäuren besitzen einen aromatischen Ring in ihrer Seitenkette.

    • Heterocyclische Aminosäuren:heterocyclischeAminosäuren weisen einen Heterocyclus in ihrer Seitenkette auf.

  • Polarität:

    • Apolare Aminosäuren:apolareAminosäuren haben apolare (hydrophobe) Seitenketten, z. B. Alanin, Valin und Leucin.

    • Polare Aminosäuren:polareAminosäuren besitzen polare (hydrophile) Gruppen in ihren Seitenketten. Dies betrifft z. B. Asparagin, Glutamin und Cystein.

  • Chemisches Verhalten:

    • Neutrale Aminosäuren:neutraleAminosäuren besitzen eine Carboxyl- und eine Aminogruppe.

    • Saure Aminosäuren:saureAminosäuren haben eine Amino- und zwei Carboxylgruppen.

    • Basische Aminosäuren:basischeAminogruppen verfügen über eine Carboxyl- und mehrere Aminogruppen.

Lerntipp

Sie müssen die Struktur der Aminosäuren nicht bis ins letzte Atom auswendig kennen. Trotzdem sollten Sie wissen, welche grundlegenden Eigenschaften die einzelnen Aminosäuren besitzen und welche Besonderheit sie jeweils kennzeichnet.

  • Gluconeogenese:

    • Glucogene Aminosäuren:glucogeneAminosäuren sind Aminosäuren, aus deren Abbauprodukten im Stoffwechsel Glucose neu aufgebaut werden kann (Gluconeogenese).

    • Ketogene Aminosäuren:ketogeneAminosäuren sind die Aminosäuren, deren Abbauprodukte nicht für die Gluconeogenese verwendet werden können.

Eigenschaften

Aminosäuren:EigenschaftenAminosäuren sind Ampholyte (Kap. 3.4.1). An der Aminogruppe reagieren sie basisch, dort kann sich ein Proton anlagern. Die Carboxylgruppe ist verantwortlich für den Säurecharakter, sie kann ein Proton abgeben.
Zur Verdeutlichung der Konstitution und Konfiguration des Moleküls werden die Aminosäuren wie in Abb. 5.1 in der neutralen Form dargestellt. Dies gibt aber nicht ihre tatsächlichen Eigenschaften wieder. In wässriger Lösung liegen sie in einer vom pH-Wert abhängigen dissoziierten Form vor.
Puffereigenschaft und Titrationskurve
Aminosäuren:Titrationskurve Aminosäuren:Puffereigenschaft

Lerntipp

Bitte wiederholen Sie zum Verständnis dieses Abschnitts Kap. 3.4.2 und Kap. 3.4.3Kap. 3.4.2Kap. 3.4.3, in denen Grundlegendes zu pH-Wert, Puffern und Titrationskurven erklärt wird.

Eine Aminosäure besitzt mehrere DissoziationsstufenAminosäuren:D∗issoziationsstufen∗Dissoziationsstufen (Kap. 3.4.1). Dies sei am Beispiel der neutralen Aminosäure Glycin, NH2–CH2–COOH, gezeigt.

Sie kann auftreten als:

  • Kation: +NH3–CH2–COOH

  • Zwitterion: +NH3–CH2–COO

  • Anion: NH2–CH2–COO

Abb. 5.2 zeigt die Titrationskurve (Kap. 3.4.2.6) von Glycinhydrochlorid mit Natronlauge. Zu wässriger Glycinlösung wird Salzsäure zugegeben. Es bildet sich das Salz des Glycins, das Hydrochlorid, in dem Glycin zu Beginn der Titration als Kation vorliegt.

An der Kurve lassen sich zwei Dissoziationsstufen erkennen, mit den Gleichgewichten der konjugierten Säure/Basen-Paare:

  • Kation/Zwitterion:

  • und Zwitterion/Anion:

Bei pH-Werten in der Nähe der pKs-Werte besitzt die Aminosäure Puffereigenschaften.

Saure und basische Aminosäuren besitzen mehr als zwei Dissoziationsstufen. Eine Aminosäure mit einer Carboxyl- und zwei Aminogruppen oder mit zwei Carboxyl- und einer Aminogruppe besitzt drei Dissoziationsstufen. Die Titrationskurve ähnelt der einer dreiprotonigen Säure und zeigt drei pKs-Werte.
Isoelektrischer Punkt
Isoelektrischer PunktAminosäuren:Isoelektrischer PunktAls Anion oder Kation wandert die Aminosäure im elektrischen Feld. Dieser Effekt wird in der Gel-Elektrophorese zur Stofftrennung genutzt.

Die Ladung des Moleküls und damit sein Verhalten im elektrischen Feld sind abhängig vom pH-Wert. In dem Zustand als Zwitterion gleichen sich die Ladungen der Amino- und der Carboxylgruppen aus. Das Molekül ist nach außen hin neutral und bewegt sich im elektrischen Feld nicht. Der pH-Wert, bei dem dieser Zustand vorliegt, wird als isoelektrischer Punkt der Aminosäure bezeichnet, abgekürzt IP oder pHI.

Merke

Bei einem pH < pHI wandert die Aminosäure zur Kathode und bei einem pH > pHI zur Anode.

  • Für Glycin und andere neutrale Aminosäuren:n∗eutrale∗Aminosäuren liegt der isoelektrische Punkt beim Mittelwert beider pKs-Werte:

    Aminosäuren mit einem pHI = 5–6,5 werden als „neutral“ bezeichnet, z. B. Alanin, Glutamin, Glycin und Phenylalanin.

  • Für saure Aminosäuren:s∗aure∗Aminosäuren liegen zwei der drei pKs-Werte im sauren Bereich. Der IP ist das arithmetische Mittel der beiden sauren pKs-Werte. Beide Carboxylgruppen zusammen sind hier im Mittel einfach negativ geladen. Am IP wird diese Ladung von der einfach positiv geladenen Aminogruppe kompensiert.

    Beispielsweise besitzt Glutaminsäure die pKs-Werte 2,19, 4,25 und 9,67:

  • Bei basischen Aminosäuren:b∗asische∗Aminosäuren liegen zwei der drei pKs-Werte im alkalischen Bereich. Der IP liegt beim Mittelwert der alkalischen pKs-Werte.Ein Beispiel ist Lysin mit den pKs-Werten 2,18, 8,95 und 10,53:

Verhalten an Ionenaustauschern
Aminosäuren:IonenaustauscherGemische von Aminosäuren lassen sich durch Ionenaustauschchromatografie Ionenaustauschchromatografietrennen. In Lösung wird das Aminosäuregemisch als mobile Phase auf einen festen Träger aufgebracht. Häufig befindet sich der Träger als Pulver im Inneren der Chromatografiesäule. Bei niedrigem pH-Wert liegen die Aminosäuren als Kationen vor und binden an negativ geladene Gruppen des Trägermaterials. Dabei verdrängen sie dort positive Gegenionen, in der Regel Na+.
Durch die Säule wird ein Elutionsmittel filtriert, dessen pH-Wert langsam zunimmt. Die Aminosäuren werden in der Reihenfolge ihrer isoelektrischen Punkte vom Träger gelöst und herausgespült.
Anstelle der pH-Erhöhung kann auch die Ionenstärke des Elutionsmittels verändert werden. Mit zunehmender Ionenstärke werden sukzessive die Aminosäuren vom Trägermaterial verdrängt. Beide Varianten lassen sich auch kombinieren.
Das Elutionsmittel wird in kleinen Fraktionen aufgefangen, die dann analysiert werden.
Redoxverhalten

Die schwefelhaltige Aminosäure Cystein ist leicht oxidierbar. Zwei Moleküle reagieren unter Ausbildung einer Disulfidbrücke (Abb. 2.20) zum Cystin (Cys–Cys). In einer Analyse ist Cystein in der Regel nur als das Oxidationsprodukt Cystin zu finden.

Methionin reagiert ebenfalls leicht am Schwefelatom. Hier wird die Methylgruppe abgespalten. Methionin bildet mit ATP zunächst S-Adenosylmethionin (SAM), aus diesem wird nach Abgabe der Methylgruppe und des Adenosins die Aminosäure CystinHomocysteinHomocystein.

Redoxverhalten, Aminosäuren Aminosäuren:Redoxverhalten

Beispiele

In den vorangegangenen Abschnitten wurden bereits Beispiele biologisch wichtiger Aminosäuren und ihrer Aufgaben angeführt. Es soll hier noch auf einige spezielle Beispiele eingegangen werden.
  • In den schwefelhaltigen Aminosäuren kann das Spurenelement Selen an die Stelle des Schwefels treten. In der Aminosäure Selenocystein Selenocysteinsind gegenüber dem Cystein die Schwefelatome durch Selen ersetzt. Selenocystein wird heute auch als die 21. proteinogene Aminosäure angesehen. Es existiert keine eigene Transfer-RNA (Kap. 7.3.1) für Selenocystein. Selenocystein entsteht daher bei der Proteinsynthese nachträglich aus der Aminosäure Serin, indem dort das Sauerstoffatom der OH-Gruppe gegen Selen ausgetauscht wird (Abb. 5.1).

  • Die nichtessenziellen Aminosäuren können im Körper bei Bedarf aus anderen essenziellen Aminosäuren hergestellt werden. TyrosinTyrosin entsteht aus Phenylalanin. Bei zu geringer Zufuhr von Phenylalanin wird auch Tyrosin zur essenziellen Aminosäure.

  • Neben ihrer Funktion als Bausteine der Proteine erfüllen Aminosäuren auch andere Aufgaben. So sind Ornithin,Ornithin Citrullin Citrullinund Arginosuccinat Arginosuccinatam Harnstoffzyklus beteiligt.

  • β-<03B2>-AlaninAlanin und γ-<03B3>-AminobuttersäureAminobuttersäure sind die einzigen wichtigen Aminosäuren, die keine α-Aminogruppe enthalten. Beide sind achiral. β-Alanin ist ein guter Chelator (Kap. 2.3.5.3). Es entsteht im Organismus beim Abbau von Uracil und ist Bestandteil von Coenzym A (CoA, Kap. 8.3.2.9).

γ-Aminobuttersäure (GABA) lässt sich durch Decarboxylierung aus der Glutaminsäure ableiten. GABA ist ein inhibitorischer Neurotransmitter.

Reaktionen

Aminosäuren:ReaktionenDie Reaktionen der Aminosäuren sind durch ihre funktionellen Gruppen bestimmt. Die Reaktionswege ähneln grundsätzlich denen der Amine und der Carbonsäuren.

Es befinden sich freie Elektronenpaare am Sauerstoff der Carboxylgruppe und am Stickstoff der Aminogruppe, die für koordinative Bindungen zur Verfügung stehen. Alle Aminosäuren sind daher zweizähnige Chelatoren (Kap. 2.3.5.3).

Eine Besonderheit ist die Verbindung der Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe einer anderen Aminosäure, durch die sich Aminosäureketten bilden können. Auf diese Peptidbindung wird in Kap. 5.3.2 noch näher eingegangen.
Des Weiteren sind auch Reaktionen funktioneller Gruppen der Seitenketten der Aminosäuren zu betrachten.
Aminogruppe
Aminosäuren:AminogruppeAminogruppenDie Aminogruppe bildet mit einem Aldehyd unter Wasserabspaltung Imine (Schiff-Basen, Kap. 3.8.2.4). Diese Reaktion ist bei der TransaminierungAminosäuren:T∗ransaminierung∗Transaminierung von Bedeutung, bei der eine α-Aminogruppe auf eine α-Ketocarbonsäure übertragen wird. Die Transaminierung ist der wichtigste Weg der Synthese nichtessenzieller Aminosäuren.
Mit einer organischen Säure bilden sich an der Aminogruppe Säureamide (Kap. 3.9.3.2).
Die DesaminierungAminosäuren:D∗esaminierung∗Desaminierung ist die Abspaltung der Aminogruppe. Dies ist ein Schritt beim Abbau der Aminosäuren.
Carboxylgruppe
Aminosäuren:Carboxylgruppe Carboxylgruppen

Merke

Die Carboxylgruppe bildet mit OH-Gruppen Ester (Kap. 3.9.3.1), mit Aminogruppen Amide (Kap. 3.9.3.2), mit einer weiteren Säuregruppe Anhydride (Kap. 2.4.2.7).

Die DecarboxylierungAminosäuren:D∗ecarboxylierung∗Decarboxylierung ist die Abspaltung der Carboxylgruppe unter Abgabe von CO2 (Kap. 3.10.2). Aus den Aminosäuren entstehen durch Decarboxylierung biogene Amine,biogene Amine z. B. Histamin, das aus Histidin entsteht, oder Cysteamin, gebildet aus Cystein.
Seitenketten

Merke

OH-Gruppen in den Seitenketten können mit einer Carboxylgruppe einen Ester bilden (Kap. 3.9.3.1). Mit einer anderen OH-Gruppe ist eine O-glykosidische Bindung möglich, mit einer Aminogruppe eine N-glykosidische Bindung (Kap. 4.3.1).

SH-Gruppen bilden untereinander Disulfidbrücken (Abb. 2.20). In Proteinen verbinden sich so die Seitenketten zweier Cysteinmoleküle.

Durch Disulfidbrücken sind dimere Proteine wie die Immunglobuline verbunden.

Peptide

Klassifizierung und Aufbau

Peptide Peptide:Aufbau Peptide:Klassifizierung

Aminosäuren verbinden sich zu Ketten, den Peptiden. Zwei durch eine Peptidbindung verknüpfte Aminosäuren bilden ein DipeptidDipeptid, drei ein TripeptidTripeptid. Bei einer Kettenlänge bis zu 20 Aminosäuren wird von OligopeptideOligopeptiden gesprochen, darüber hinaus von PolypeptidePolypeptiden. ProteineProteine bzw. Eiweiße sind Polypeptide mit einem Molekulargewicht größer als 104 Dalton, das entspricht etwa 100 Aminosäuren.

Alle proteinogenen Aminosäuren sind α-Aminosäuren.

Die Peptidkette ist repetitiv aufgebaut: Auf das α-C-Atom, das die Aminogruppe und die restliche Seitenkette der Aminosäure trägt, folgt eine Carboxylgruppe. Die Carboxylgruppe ist mit der Aminogruppe des nächsten α-C-Atoms verbunden usw.

Merke

Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Peptid wird als Peptide:S∗equenz∗Sequenz bezeichnet. Die Aminosäuresequenz bildet die Peptide:P∗rimärstruktur∗Primärstruktur eines Peptids (Kap. 5.4.1.2). In der Darstellung der Formel eines Peptids sind die einzelnen Aminosäuren an ihren Seitenketten erkennbar.

Jedes Peptid besitzt ein C-terminales und ein N-terminales Ende. Die Aminogruppe bildet das N-terminale Ende. Sie wird in einer abkürzenden Schreibweise des Peptids nur mit H angegeben. Die Carboxylgruppe repräsentiert das C-terminale Ende, abgekürzt als OH (Abb. 5.3). Ein Peptid hat, wie eine einzelne Aminosäure, dadurch gleichzeitig Säure- und Baseneigenschaften und es besitzt einen isoelektrischen Punkt.

Lerntipp

Merken Sie sich, dass Proteinsequenzen grundsätzlich von N- nach C-terminal notiert werden. Das N-terminale Ende ist sozusagen das Kopfende.

Zwei verschiedene Aminosäuren bilden zwei mögliche Dipeptide, die sich in der Reihenfolge der Aminosäuren unterscheiden (Abb. 5.3). Dieser Fall der Konstitutionsisomerie wird als Sequenzisomerie Sequenzisomeriebezeichnet. Mit wachsender Kettenlänge nimmt die Zahl der möglichen Sequenzisomere rasch zu.

Peptidbindung

Eine Carbonsäureamidbindung (Kap. 3.9.3.2) zwischen zwei Aminosäuren wird als Peptidbindung bezeichnet.

Die Peptidbindung ist mesomeriestabilisiert (Abb. 5.4 oben). Die C–N-Bindung erhält partiellen Doppelbindungscharakter. Die Bindungslänge wird verkürzt und die freie Drehbarkeit um die Bindungsachse ist herabgesetzt. Deshalb kann an der C–N-Bindung wie an einer C=C-Bindung zwischen cis- und trans-Konfiguration unterschieden werden (Abb. 5.4 unten).
Alle an das C- und das N-Atom der Amidbindung gebundenen Atome liegen in einer Ebene. Das betrifft in einer Peptidkette jeweils 4 benachbarte Atome: α-C, C=O, NH und α-C. Die Bindungsanordnung am α-C-Atom ist tetraederförmig. Das α-C-Atom ist die Nahtstelle benachbarter Ebenen der Peptidkette, die hier in einem Winkel gegeneinander geneigt sind (Abb. 5.5).Peptide:P∗eptidbindung∗Peptidbindung
Die Amidbindung verhält sich in wässriger Lösung neutral. Die Basizität des Stickstoffs ist durch die benachbarte positive Partialladung des Carbonyl-C-Atoms so weit herabgesetzt, dass sich hier kein Proton mehr anlagert.

Reaktionen

Peptide:ReaktionenEine Peptidkette kann prinzipiell sowohl an ihrem N-terminalen als auch am C-terminalen Ende durch weitere Peptidbindungen verlängert werden.

Eine Peptidbindung bildet sich nicht direkt durch Wasserabspaltung, sondern es muss ein geeignetes Kondensationsmittel vorhanden sein, das die Carboxylgruppe aktiviert, d.h. für den nucleophilen Angriff der Aminogruppe vorbereitet (Kap. 3.9.3.2).

  • Eine chemische Synthese wird an festen Trägern durchgeführt und kann heute automatisiert ablaufen. Chemisch gelingt aber nur die Herstellung kleiner und mittlerer Peptide.

  • Die Biosynthese der Peptide erfolgt an den Ribosomen. Die Peptidkette wird immer an ihrem Carboxyl-Ende mit der nächsten Aminosäure verbunden. Das Carboxyl-C-Atom wird zunächst durch eine Esterbindung aktiviert, die dann von der Aminogruppe der nächsten Aminosäure angegriffen wird.

  • Die Hydrolyse der Peptide kann im sauren oder im alkalischen Milieu erfolgen.

Im Stoffwechsel werden Peptidketten durch Verdauungsenzyme wie Trypsin oder Chymotrypsin jeweils nur zwischen bestimmten Aminosäuren gespalten.

Proteine

Klassifizierung und Aufbau

Proteinklassen
ProteineProteine:ProteinklassenProteine:KlassifizierungProteine:AufbauDie Einteilung der Proteine erfolgt nach ihrer Zusammensetzung. Neben den Peptiden können auch noch Anteile anderer Stoffklassen enthalten sein.
  • Struktur:

    • Einfache Proteine Proteine:e∗infache∗bestehen aus nur einer Peptidkette.

    • Zusammengesetzte Proteine:z∗usammengesetzte∗Proteine werden durch den Zusammenschluss mehrerer Untereinheiten gebildet. Ein Beispiel ist das Hämoglobin, ein Tetramer aus vier Häm-Molekülen.

  • Bestandteile:

    • Glykoproteine (Glykoproteine Kap. 4.4.2.2) enthalten neben dem Proteinanteil auch noch Kohlenhydrate. Die Kohlenhydrate sind mit dem Peptid O- oder N-glykosidisch verbunden.

    • Lipoproteine Lipoproteineenthalten einen Lipidanteil. Die Lipoproteine dienen im Organismus als Emulgatoren für den Transport von Lipiden. Es werden verschiedene Subkategorien der Lipoproteine unterschieden, z. B. LDL (Low-Density-Lipoprotein) und HDL (High-Density-Lipoprotein).

    • Metalloproteine Metalloproteinebilden einen Chelatkomplex (Kap. 2.3.5.3) mit einem zentralen Metallion. Das Metall-Kation ist für die biologische Funktion des Komplexes unerlässlich.

  • Löslichkeit:

    • Globuläre Proteine Proteine:g∗lobuläre∗sind wasserlöslich und haben eine eher kugelförmige Gestalt.

    • Fibrilläre Proteine Proteine:f∗ibrilläre∗sind wasserunlösliche faserartige Proteine. Sie dienen als Bausteine vieler Stützgewebe.

  • Prosthetische Gruppe:

    • Proteine mit prosthetischen Gruppen Proteine:p∗rosthetischen Gruppen∗sind nur dann biologisch wirksam, wenn eine zusätzliche funktionelle Nicht-Protein-Gruppe vorhanden ist. Die prosthetische Gruppe wird auch als Coenzym bezeichnet (Kap. 8.2.1).

Struktur der Proteine
Der räumliche Bau der Proteine lässt sich in verschiedenen Strukturebenen betrachten.

Lerntipp

Als Grundwissen sollten Sie die verschiedenen Typen der chemischen Bindung parat haben. Während des Lernens dieses Abschnitts sollten Sie sich besonders einprägen, welche Bestandteile der Aminosäuren an welchem Bindungstyp beteiligt sind und welche Struktur dieser Bindungstyp hauptsächlich stabilisiert.

Primärstruktur

Die Primärstruktur ist die Aminosäuresequenz der Proteine (Kap. 5.3.1.2). Die Reihenfolge der Aminosäuren und, falls vorhanden, die Anordnung von Disulfidbrücken bestimmen die spätere Konformation des gesamten Proteins. Die Primärstruktur ist die komplette Beschreibung aller kovalenten Bindungen innerhalb des Proteins.

Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur ist die nächste Stufe der Konformation der Proteine. Die Sekundärstruktur wird durch Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb des Peptidrückgrats sowie durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Seitengruppen nahe beieinander liegender Aminosäuren stabilisiert.

Durch die Primärstruktur wird festgelegt, welche Sekundärstruktur sich später ausbilden kann. Als regelmäßige Sekundärstrukturen treten zwei Varianten auf, die α-Helix- und die β-Faltblattstruktur (Abb. 5.5).Primärstruktur, ProteineProteine:Primärstruktur

  • Sekundärstruktur, ProteineProteine:Sekundärstrukturα-Helix: Proteine: ∗<03B1>-Helix∗<03B1>-Helix, SekundärstrukturDie Peptidkette windet sich zu einer schraubenförmigen, rechtsgängigen Wendel, der α-Helix. In Richtung der Wendelachse stehen sich jeweils die CO-Gruppe einer Aminosäure und die NH-Gruppe der jeweils in der Sequenz folgenden vierten Aminosäure gegenüber (Abb. 5.5 links). Zwischen diesen beiden Gruppen bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen, die die Helix stabilisieren. Die räumlichen Abmessungen der Windungen sind im Wesentlichen durch die gegeneinander geneigten Ebenen der Peptidbindungen bestimmt. Eine Windung enthält 3,6 Aminosäuren. Die Ganghöhe der Helix liegt bei 0,54 nm. Die Seitenketten am α-C-Atom der Aminosäuren weisen radial nach außen.

Merke

Theoretisch wären für eine Helix beide Umlaufrichtungen denkbar. In den Proteinen wird jedoch nur die rechtsgängige α-Helix gefunden.

  • β-Faltblatt: Proteine: ∗<03B2>-Faltblatt∗<03B2>-Faltblatt, SekundärstrukturDie Aminosäurekette ist bei der β-Faltblattstruktur gestreckt. Durch die gegenseitige Neigung der Ebenen der einzelnen Peptidbindungen ergibt sich ein „zickzackförmiger“ Verlauf der Kette. Benachbarte Ketten lagern sich nebeneinander und es bilden sich Wasserstoffbrücken zwischen gegenüberliegenden CO- und NH-Gruppen. Es entsteht ein eher plattenartiges Gebilde. Die Seitenketten der Aminosäuren weisen senkrecht zur Ebene des Faltblatts nach oben oder unten (Abb. 5.5 rechts). Die Faltblattstruktur tritt in der Natur beim β-Keratin und beim Seidenfibroin auf.

Merke

Verschiedene Stränge des Faltblatts können parallel oder antiparallel verlaufen. Häufig kehrt eine Peptidkette in einer linksgängigen β-Schleife ihre Richtung um und liegt dann antiparallel neben ihrem vorhergehenden Abschnitt.

Die haarnadelförmigen β-Schleifen waren namengebend für die Bezeichnung β-Faltblatt. Besonders häufig treten Struktureinheiten aus zwei bis fünf parallelen β-Strängen auf.

Tertiärstruktur

Die Tertiärstruktur der Proteine bildet sich durch Wechselwirkungen zwischen Aminosäureresten, die in der linearen Sequenz der Peptidkette weit voneinander entfernt liegen. Als Wechselwirkungen treten auf:

  • Wasserstoffbrücken

  • Disulfidbrücken

  • elektrostatische Anziehung zwischen polaren oder geladenen Gruppen

  • Assoziation durch hydrophobe Wechselwirkungen

  • Chelatkomplexe.

Tertiärstruktur, Proteine Proteine:Tertiärstruktur
Die Sekundärstruktur bleibt nicht gestreckt. Durch Biegungen und Schleifen knäuelt sie sich zu einem kompakten Gebilde zusammen. Innerhalb eines Proteins können sich Bereiche mit helikalem Bau, Faltblattstruktur oder eher unregelmäßigen Windungen (Random Coil) abwechseln. Ein Bereich des Proteins, in dem ein bestimmtes Strukturmerkmal vorherrscht, wird als Domäne Proteine:D∗omäne∗bezeichnet.

Merke

Besonders die globulären Proteine zeichnen sich durch eine recht komplexe Tertiärstruktur aus. Eher starre helikale Abschnitte wechseln sich mit flexibleren Bereichen ab. Durch die Faltung werden hydrophobe Reste ins Innere des kugelförmigen Proteins gebracht. Hydrophile Reste weisen nach außen und sind verantwortlich für die gute Wasserlöslichkeit.

Die Tertiärstruktur eines Proteins ist abhängig von den Umgebungsbedingungen. So bilden sich Partialladungen, die eine elektrostatische Anziehung zwischen verschiedenen Aminosäureresten hervorrufen, oft erst durch Dissoziation.
Eine Änderung des umgebenden Milieus beeinflusst entsprechend die Bindungen der tertiären Struktur. Das Protein denaturiert, es verliert durch die Änderung seiner Gestalt seine biologische Funktionsfähigkeit (Kap. 5.4.2.3).
Quartärstruktur
Proteine:QuartärstrukturDieQuartärstruktur, Proteine Quartärstruktur entsteht durch die Zusammenlagerung von Proteineinheiten zu einem größeren funktionsfähigen Gebilde. Als Beispiel für ein solches aus Untereinheiten zusammengesetztes Protein wurde schon das Tetramer Hämoglobin genannt.

Eigenschaften

Puffereigenschaften
Proteine:PuffereigenschaftenProteine sind, wie auch die einzelnen Aminosäuren, Ampholyte: Sie können Protonen aufnehmen oder abgeben. Damit besitzen sie Puffereigenschaften (Kap. 3.4.3.2). Die Eigenschaften hängen von der Anzahl saurer oder basischer Reste in den Aminosäureresten des Proteins ab. Das Verhalten der sauren Aminosäuren ergibt insgesamt einen pKs-Wert im sauren Bereich. Für die basischen Aminosäuren resultiert ein Wert im basischen Bereich.
Aus dem arithmetischen Mittel beider Werte lässt sich für jedes Protein ein isoelektrischer Punkt angeben (Kap. 5.2.2.2).

Klinik

Der Proteinpuffer stellt den größten Anteil der Pufferkapazität des Bluts dar. Die wesentlichsten Proteine sind hierbei das Albumin im Plasma und das Hämoglobin im Erythrozyten.

Hydrophile und hydrophobe Wechselwirkung
In Proteine:Wechselwirkungen, hydrophile/hydrophobeProteinen treten Bereiche mit überwiegend hydrophilen oder hydrophoben Aminosäureseitenketten auf.
  • Polare Stellen der Proteine erhöhen die Löslichkeit in Wasser. An ihnen lagern sich Wassermoleküle an, das Protein wird hydratisiert.

  • Apolare Bereiche lagern sich aneinander an, um den Kontakt mit Wasser zu vermeiden. Bei der hydrophoben Wechselwirkung handelt es sich nicht um eine tatsächliche, anziehende Kraft zwischen den apolaren Bereichen. Benachbarte apolare Moleküle bzw. apolare Regionen eines Proteins werden von dem umgebenden polaren Lösungsmittel wie von einer äußeren Klammer zusammengehalten.

  • Zwischen gegensätzlich geladenen Stellen der Proteine wirken elektrostatische Anziehungskräfte, die die Tertiärstruktur der Proteine stabilisieren.

Merke

Neben dem Einfluss auf die Konformation der Proteine sind hydrophile oder hydrophobe Wechselwirkungen auch für die Ausbildung der Lipiddoppelschichten in den Zellmembranen (Kap. 6.3.1), für die Anordnung der Moleküle eines Emulgators in Form von Mizellen (Abb. 2.24) oder für die Bindung eines apolaren Substrats an der ebenfalls apolaren Rezeptorstelle eines Enzyms (Kap. 6.4.2) verantwortlich.

Hydratisierung und Denaturierung
Proteine:HydratisierungProteine:DenaturierungHydratisierung, ProteineDenaturierung, ProteineEnzyme sind globuläre, wasserlösliche Proteine. Die Eigenschaften einer Enzymlösung sind von denen einer echten Lösung verschieden. Wegen der Größe der Proteine handelt es sich hier um eine kolloidale Lösung. An für die Proteine undurchlässigen Membranen baut sich ein osmotisches Druckgefälle auf.
Die Hydrathülle des gelösten Proteins stabilisiert seine Tertiärstruktur. Wird das Wasser durch ein apolares Lösungsmittel ersetzt oder durch Trocknung entzogen, verliert ein Enzym in der Regel seine biologische Aktivität.
Proteine können aus einer Lösung durch Zugabe einer größeren Salzmenge ausgefällt werden. Die Ionen des Salzes konkurrieren mit dem Protein um die polaren Wassermoleküle. Nach Zugabe von Wasser gehen die Proteine erneut in Lösung.
Auch Säuren oder Schwermetalle bewirken das Ausfallen der Proteine. Hier wird die Proteinstruktur aber irreversibel denaturiert.
Die Erhöhung der Temperatur über ein für jedes Protein spezifisches Maximum führt ebenfalls zu einer irreversiblen Denaturierung.

Klinik

Blutpräparate und viele aus Blut gewonnene Medikamente, wie die bei Hämophilie applizierten Gerinnungsfaktoren, können nicht hitzesterilisiert werden. Die Hitzedenaturierung würde die Proteine inaktivieren und das Präparat somit wertlos machen.

Ein Infektionsrisiko kann deshalb bei der Verwendung von Blutprodukten niemals völlig ausgeschlossen werden.

Trennverfahren
Trennverfahren, ProteineZurProteine:Trennverfahren Trennung von Proteingemischen sind mehrere Verfahren im Gebrauch. Die Proteine werden nach Eigenschaften wie Molmasse, Ladung oder Affinität an ein bestimmtes Trägermaterial getrennt.
  • Die Zentrifugation Zentrifugationsepariert Proteine nach ihrer Dichte.

  • Bei der Elektrophorese Elektrophoresewandern die Proteine in einem von außen angelegten elektrischen Feld (Kap. 5.2.2.2). In der Gel-Elektrophorese müssen sie sich dabei durch die Poren eines Gels hindurchbewegen. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Proteine hängt von ihrer Ladung, aber auch von ihrer Größe und räumlichen Struktur ab.

  • Die Chromatografie Chromatografieder Proteine verläuft auf die gleiche Weise wie die chromatografische Trennung einzelner Aminosäuren (Kap. 5.2.2.3). Die Proteine binden an ein Trägermaterial, von dem sie durch ein Elutionsmittel nacheinander in der Reihenfolge steigender Affinität abgelöst werden.

Strukturaufklärung

Proteine:StrukturaufklärungNachdem das gewünschte Protein durch Trennverfahren wie Chromatografie oder Elektrophorese isoliert wurde, können seine Eigenschaften und seine Struktur gezielt untersucht werden.
Die Hydrolyse Proteine:H∗ydrolyse∗Hydrolysein stark saurem oder stark alkalischem Milieu spaltet die Peptidbindungen des Proteins. Das Protein wird in einzelne Aminosäuren zerlegt. Nach der Trennung des Aminosäurengemischs wird deutlich, aus welchen Aminosäuren das Protein bestand und in welchen Anteilen sie enthalten waren.
Durch Enzyme wie Trypsin oder Chymotrypsin kann das Protein zunächst in kleinere Bruchstücke zerlegt werden. Diese Fragmente werden dann voneinander getrennt und einzeln analysiert.
Die Sequenzierung SequenzierungProteine:S∗equenzierung∗eines Proteins gibt Aufschluss über seine Primärstruktur. Die Sequenzanalyse ist die Umkehrung des Synthesevorgangs. Es wird sukzessive eine Aminosäure nach der anderen enzymatisch von der Peptidkette abgespalten und anschließend identifiziert. Inzwischen wurden automatische Sequenzierungsverfahren entwickelt. Prinzipiell ist der Abbau der Peptidkette von beiden Enden her möglich. In den gängigen Analyseverfahren wird aber durch ein bestimmtes Reagenz (Phenylisothiocyanat) zunächst das N-terminale Ende des Proteins bestimmt und von dort eine Aminosäure nach der anderen abgetrennt.
Durch die Aminosäuresequenz werden zwar auch die Sekundär- und die Tertiärstruktur des Proteins festgelegt, welche Konformation das Protein aber einnimmt, lässt sich aus der Kenntnis der Sequenz nicht einfach ableiten. Die räumliche Struktur von Proteinen wird deshalb auch mit der Röntgenstrukturanalyse RöntgenstrukturanalyseProteine:R∗öntgenstrukturanalyse∗untersucht. Aus den Beugungsmustern der Röntgenstrahlen wird auf den Bau des Proteins zurückgeschlossen.

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