Proteine – Einführung

Proteine und Aminosäuren

Proteine, auch Eiweiße genannt, sind zentraler Bestandteil der Stoffwechselprozesse aller Organismen. Sie kommen überall in der Natur vor. Proteine bestehen aus einer bestimmten Abfolge und Anordnung von Aminosäuren. Was Proteine und Aminosäuren genau sind und welche Funktionen und Eigenschaften Proteine und Aminosäuren haben, erfährst du in diesem Text.

Aminosäuren – Struktur und Definition

Mit dem Begriff Aminosäure meint man häufig die proteinogenen Aminosäuren. Diese stellen Bausteine der Proteine dar und davon sind 22 bekannt. Von diesen 22 Aminosäuren gehören 20 zu den kanonischen Aminosäuren. Das bedeutet, dass sie durch Codons des genetischen Materials codiert werden. Da diese Aminosäuren in der Biologie eine große Bedeutung haben, befassen wir uns in diesem Text ausschließlich mit genau diesen 20 Aminosäuren. Es existieren jedoch einige Hundert nichtproteinogene natürlich vorkommende sowie synthetisch hergestellte Aminosäuren.

Bei den proteinogenen Aminosäuren handelt es sich um Carbonsäuren, die eine Aminogruppe ($\ce{-NH2}$) am $\alpha$-Kohlenstoffatom tragen. Man nennt sie deshalb auch $\alpha$-Aminosäuren. Dieses Kohlenstoffatom ist mit der Carboxylgruppe ($\ce{-COOH}$) benachbart. Die Grundstruktur einer Aminosäure lässt sich mithilfe folgender Strukturformel darstellen:

Das R steht für Rest bzw. Seitenkette. Im Aufbau dieses Rests unterscheiden sich die Aminosäuren. Die Seitenketten können aus Alkylgruppen, aromatischen Ringen oder weiteren Carboxylgruppen und Aminogruppen bestehen.

Aminosäuren – Übersicht

Die Einteilung der proteinogenen Aminosäuren erfolgt durch den Rest am $\alpha$-Kohlenstoffatom. Besteht dieser aus einer Alkylgruppe, spricht man von aliphatischen Aminosäuren. Enthält die Seitenkette Aromaten, bezeichnet man diese Aminosäuren als aromatisch. Sind zusätzliche Carboxyl- oder Aminogruppen in der Seitenketten vorhanden, handelt es sich um saure bzw. basische Aminosäuren. Vereinzelt ist auch der Einbau von Schwefel oder Hydroxylgruppen möglich. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über alle 20 proteinogenen Aminosäuren und deren chemische Zuordnung:

Aminosäuren, die ein tierischer Organismus benötigt, jedoch nicht selbst herstellen kann, nennt man essenzielle Aminosäuren. Sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Beim Menschen sind Valin, Methionin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Tryptophan, Threonin und Lysin essenzielle Aminosäuren.

Proteine – Struktur und Definition

Im Folgenden wird die biologische Bedeutung der Proteine betrachtet. Alle Proteine bestehen aus einer Kombination von proteinogenen Aminosäuren. Man nennt diese Abfolge auch Aminosäuresequenz. Die Reihenfolge und die Seitenketten der Aminosäuren bestimmen deren Eigenschaften und legen damit die Strukturmerkmale und die Funktion des Proteins fest. Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein ist im genetischen Code der DNA festgelegt.

Zwei Aminosäuren verbinden sich, wenn die Carboxylgruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe einer anderen Aminosäure unter Wasserabspaltung reagiert. Es entsteht ein Dipeptid und die Aminosäuren sind durch eine Peptidbindung miteinander verbunden:

Proteine – Strukturebenen

Entstehen lange Ketten, die aus 10 bis etwa 2 000 Aminosäuren bestehen können, spricht man von Polypeptiden. Von Proteinen spricht man bei Polypeptiden mit mehr als 100 verbundenen Aminosäuren. Es existieren bei den Proteinen vier Strukturebenen, die wir uns nun genauer anschauen wollen.

Die Aminosäuresequenz, also die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein, wird dabei als Primärstruktur bezeichnet.

Innerhalb der Polypeptidkette kommt es zur Ausbildung von schwachen Wechselwirkungen zwischen den Peptidbindungen. Diese werden als Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet. Die so entstehende Struktur wird als Sekundärstruktur bezeichnet und liegt in zwei Grundformen vor: der $\alpha$-Helix und dem $\beta$-Faltblatt. Bei der $\alpha$-Helix ist die Grundstruktur des Proteins schraubig ausgebildet und beim $\beta$-Faltblatt liegt die Polypeptidkette gefaltet vor.

Die spezifische Raumgestalt eines Proteins wird als Tertiärstruktur bezeichnet. Diese entsteht durch chemische Wechselwirkungen zwischen den Sekundärstrukturen. So können Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, kovalente Bindungen oder Ionenbindungen ausgebildet werden.

Die Quartärstruktur gibt zum Schluss noch Informationen darüber, wie die einzelnen Tertiärstrukturen angeordnet sind. Diese komplexe Struktur wird ebenfalls durch verschiedene Wechselwirkungen zusammengehalten.

In der folgenden Abbildung ist der räumliche Aufbau der Proteine schematisch dargestellt. Die Sekundärstruktur ist hier als $\alpha$-Helix visualisiert.

Proteinstruktur und ihre Strukturebenen kurz zusammengefasst:

• Primärstruktur: Sie gibt Auskunft über die Reihenfolge der Aminosäurebausteine (Aminosäuresequenz).
• Sekundärstruktur: Sie gibt Auskunft über Formen der komplexen räumlichen Struktur (z. B. $\alpha$-Helix oder $\beta$-Faltblatt).
• Tertiärstruktur: Sie gibt Auskunft über die Anordnung und die verschiedenen Kombinationen der Sekundärstrukturen.
• Quartärstruktur: Sie gibt Auskunft über die Anordnung der Tertiärstrukturen.

Proteine – Vorkommen und Beispiele

Proteine haben eine besondere Bedeutung im Stoffwechsel aller Lebewesen. Aber was genau machen Proteine? Es gibt viele unterschiedliche Arten von Proteinen. Als Enzyme katalysieren sie zum Beispiel Stoffwechselprozesse. Außerdem spielen sie als Membranproteine und Rezeptoren eine entscheidende Rolle in der Signalweiterleitung im Körper. Als Strukturproteine sind sie beispielsweise an der Bildung von Haaren beteiligt.

Proteine sind einfach erklärt an allen wesentlichen Lebensprozessen wie Stoff- und Energiewechsel, Vererbung und Fortpflanzung beteiligt. Sie erfüllen dabei im menschlichen Körper sehr viele unterschiedliche Funktionen.

Nachweis von Proteinen

Es gibt verschiedene Verfahren, um Proteine nachweisen zu können. Die wohl bekanntesten sind die Xanthoproteinreaktion und die Biuretreaktion. Die Xanthoproteinreaktion zeigt beim Vorhandensein von aromatischen Proteinen eine gelbe Verfärbung und bei der Biuretreaktion zeigt sich eine Violettfärbung bei Anwesenheit von Verbindungen mit Peptidbindungen. Der Nachweis von Proteinen kann auch über den sogenannten Ninhydrinnachweis stattfinden. Dabei können nur frei liegende Aminogruppen nachgewiesen werden. Es handelt sich also eher um den Nachweis von Aminosäuren.