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Die Peptidbindung:
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Unter Abspaltung von Wasser können sich 2 Aminosäuren verbinden. Dabei reagiert die Carboxylgruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe der anderen Aminosäure zu einem Dipeptid. Der Bindungstyp heißt Peptidbindung. Durch Reaktion mit weiteren Aminosäuren entstehen immer längere Ketten (Tripeptide, .....Polypeptide....ab 100: Proteine)
c) Tertiärstruktur :
Die schraubenförmigen Polypeptidketten liegen ihrerseits in einer übergeordneten Raumstruktur gefaltet und "geknäuelt" vor. Diese Konformation ist abhängig von der Primärstruktur. Je nachdem, welche Aminosäuren an bestimmten Kettenpositionen liegen, kommt es zwischen den Aminosäureresten (R) zu verschiedenen chemisch- physikalischen Anziehungskräften.
Bindungskräfte :
H - Brücken (1) (Dipol-Anziehung/ polare Reste)
Ionenbindungen (2) (elektrisch geladene Reste durch zusätzliche Säuregruppe (-) oder Aminogruppe (+).)
Van-der-Waals - Kräfte (3) (unpolare Reste)
Disulfid - Bindung (4) (echte Bindung d.h. stärkste Bindungskraft, die die Raumstruktur stabilisiert.
à hitzebeständige Proteine zeigen einen hohen Cystein-Gehalt!
In dieser Raumstruktur sind Proteine biologisch wirksam als Hormone, Enzyme, Antikörper, etc. Sie falten sich je nach Aminosäuresequenz selbständig zu ihrer spezifischen Raumstruktur auf.
Primärstruktur:
Die Aminosäuren-Sequenz eines Proteins wird als Primärstruktur bezeichnet. Dabei notiert man die endständige Amino-Gruppe links, die endständige Carboxy-Gruppe rechts. Die Proteine bestehen meistens aus mehr als 100 Aminosäuren. Bei den globulären Proteinen sollte man sich merken, daß die hydrophoben Aminosäuren vorwiegend im Inneren des Moleküls, die hydrophilen und geladenen Seitenketten an der Oberfläche angeordnet sind. Manche Proteine durchqueren die Membranen. Die Abschnitte des Proteins, welche in der Membran liegen, sind überwiegend aus hydrophoben Aminosäuren aufgebaut. Da die Aminosäure-Sequenz letztendlich die \"Abschrift\" der mRNA und damit der DNA darstellt, ist sie für jedes Protein genetisch festgelegt.
klinische Anmerkung:
Bei der Sichelzellenanämie steht anstelle der Glutaminsäure an Position 6 der Aminosäure-Sequenz der beta-Globinkette das hydrophobe Valin:
normales Hämoglobin:
Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys
Hämoglobin der Sichelzellenanämie:
Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys
Sekundärstruktur:
Die Sekundärstruktur bezeichnet die Faltung (definierte räumliche Gestalt) der Peptidkette, wobei die Seitenketten-Reste nicht berücksichtigt werden. Die Sekundärstruktur wird durch Wasserstoff-Brückenbindungen (zwischen C=O und HN-Gruppen) stabilisiert.
Es gibt zwei wichtige Sekundärstrukturen, die man im Schlaf erklären können sollte (aber auch wenn man wach ist):
Faltblattstruktur: Durch Zieharmonika-ähnliche Peptidrost-Faltung stehen die Seitenketten nahezu senkrecht nach oben oder unten. Dies ist energetisch sehr günstig, denn dadurch können sich Wasserstoff-Brückenbindungen sowohl zwischen gegenläufigen, antiparallelen Ketten als auch zwischen gleichläufigen, parallelen Ketten ausbilden. Die Faltung erfolgt im Anschluß an die Biosynthese direkt am Ribosom.
alpha-Helix: Im Gegensatz zur Faltblattstruktur, wo sich Wasserstoff-Brücken zwischen zwei oder mehreren Ketten ausbilden, entstehen bei der alpha-Helix-Form Wasserstoff-Brückenbindungen innerhalb der einzelnen Kette. Dies ist dadurch möglich, daß sich die Peptid-Kette wie um einen Zylinder schraubenförmig gewickelt anordnet. Dadurch nähern sich die C=O und NH-Gruppen, deren Atome übrigens alle in einer Ebene liegen, so, daß es zu Wasserstoff-Brückenbindungen kommt. Auch diese Formgebung erfolgt im Anschluß an die Biosynthese am Ribosom.
Bei beiden Strukturen sind neben den Ribosomen noch sog. \"Chaperone\" beteiligt. Hierbei handelt es sich nach neuesten Erkenntnissen um bestimmte spezielle Proteine.
Anmerkung:
In diesem Zusammenhang ist noch zu erwähnen, daß die Aminosäure Prolin als Helix-Brecher bezeichnet wird, denn sie läßt sich aufgrund ihrer Ringstruktur nicht in eine Helix einfügen.
Fehlt die Ausbildung zur alpha-Helix- oder Faltblatt-Struktur, entstehen sog. Zufallsknäuel. Diese Ausbildung tritt bei Denaturierung ein, wobei ein geordneter Zustand (nämlich die alpha-Helix- oder Faltblattstruktur) in einen ungeordneten Zustand übergeht (nämlich das Zufallknäuel). Die Denaturierung ist eine Strukturänderung des Moleküls (ausgelöst z.B. durch starke Temperaturerhöhung). Dadurch gehen die biologischen Eigenschaften verloren (z.B. Hormon- oder Enzymwirkung). Außerdem nimmt die Löslichkeit stark ab. Die Strukturänderungen kommen dadurch zustande, daß die Bindungskräfte, die das Molekül in seiner räumlichen Struktur stabilisieren, gelöst werden (Analogie des Schmelzvorganges). Denaturierungen sind normalerweise irreversible Strukturänderungen. Unter ganz bestimmten Umständen ist es im Labor teilweise gelungen, ein denaturiertes Enzym wieder zurück in seine enzymatisch aktive Form zu überführen.
Anmerkung:
Die Primärstruktur ist, wie schon erwähnt, genetisch determiniert. Dadurch ist unmittelbar auch die Raumstruktur genetisch festgelegt.
Supersekundärstruktur: die Anordnung und gegenseitige Beeinflussung von Sekundärstrukturabschnitten in einem Protein
Tertiärstruktur:
Die Lage aller Atome des Proteins im Raum wird in der Tertiärstruktur beschrieben. Selbst die Gruppen der Seitenketten tragen zur Raumstruktur der Proteine bei. Dadurch sind natürlich mehrere Formen eines Proteins möglich, es wird jedoch meistens nur eine Form stabil ausgebildet, da diese energetisch am günstigsten ist.
Die hierfür benötigten Bindungskräfte sind folgende:
Disulfid-Bindung (entsteht durch Dehydrierung von zwei HS-Gruppen zweier Cytein-Reste)
Ionenbeziehungen zwischen negativ und positiv geladenen Gruppen der Seitenketten
hydrophobe Bindungen im Inneren der Proteine
Domäne: Als Domäne bezeichnet man den Abschnitt der Peptidkette, der sich unabhängig von anderen Abschnitten zu einer stabilen Tertiärstruktur falten kann.
Anmerkung:
Bei globulären Proteinen sind - wie oben schon erwähnt - die hydrophoben Seitenketten im Inneren des Moleküls lokalisiert, wohingegen die hydrophilen Seitenketten an der Oberfläche liegen. Dies führt dazu, daß sich Wassermoleküle an das Protein anlagern und eine Hydrathülle bilden. Das Protein scheint dann etwas größer (dieser Sachverhalt muß bei einigen experimentellen Untersuchungen berücksichtigt werden!).
Quartärstruktur:
Nachdem sich die Peptidketten zu einem globulären Protein formiert haben, kommt es häufig noch zu einer Zusammenlagerung dieser globulären Proteine zu sog. höheren Aggregaten. Hierbei müssen die Untereinheiten nicht identisch sein. Diese räumliche Gestalt bezeichnet man als Quartärstruktur.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang noch die sog. Kooperativität. Hierunter versteht man folgenden Sachverhalt:
Lagert sich ein kleines Molekül an ein größeres Aggregat (quartäres Protein) an, so können sich die Bindungsverhältnisse zwischen den Untereinheiten dieses Proteins ändern. Wird die Bindung stabiler (fester), da sich die Untereinheiten näherkommen, so spricht man von positiver Kooperativität. Wird die Bindung dagegen instabiler (lockerer), so spricht man von negativer Kooperativität.
Weiterhin muß erwähnt werden, daß einige Proteine eine ganz bestimmte Bindungsstelle für spezifische Moleküle besitzen. Bindet ein solch kleines Molekül an dieser Bindungsstelle, so ändert sich natürlich auch hier die Raumstruktur des Proteins. Man bezeichnet dies jedoch jetzt nicht mehr als Kooperativität, sondern als Allosterie. Die Allosterie spielt eine wichtige Rolle in der Enzymaktivität, da durch die Bindung bestimmter Moleküle an das sog. allosterische Zentrum die Aktivität des Enzyms reguliert werden kann.
Proteine
Proteine sind hochmolekulare Polypeptide. Sie bestehen aus Aminosäuren, die über Säureamid-Bindungen (=Peptid-Bindungen, s. Seite 6) verknüpft sind. Proteine können wasserlöslich und reaktionsfähig (z.B. Eiklarproteine) oder hart und völlig wasserunlöslich sein (z.B. Keratin der Nägel).
Anmerkung:
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Proteine werden im wesentlichen von zwei Größen bestimmt:
Ladung
Masse
Die Proteine werden in folgende Gruppen eingeteilt:
Skleroproteine: Skleroptoteine sind in Wasser unlöslich und besitzen eine Faserstruktur. Dadurch dienen sie vor allem als Stütz- und Gerüstsubstanz (z.B. Proteine des Bindegewebes, des Cytoskeletts und des Myosins der Muskeln).
Globuläre und Sphäroproteine: Diese Proteine sind in Wasser oder verdünnten Salzlösungen löslich. Sie haben eine sphärische Molekülstruktur. Zu dieser Gruppe gehören die meisten Proteine, vor allem die Enzyme.
Proteinkomplexe: Diese Komplexe bestehen aus einem Proteinanteil und einem Nichtproteinanteil (den Nichtproteinanteil nennt man auch prosthetische Gruppe). Je nach Art dieser prosthetischen Gruppe werden die Proteinkomplexe eingeteilt in:
· Glykoproteine
· Lipoproteine
· Phosphoproteine
· Metalloproteine
Anmerkung:
Die prosthetische Gruppe kann recht unterschiedlich mit dem Proteinanteil verbunden sein (kovalente Bindung, Bindung aufgrund unterschiedlicher Ladungsverhältnisse etc.).
Die Peptidbindung entsteht durch Eliminierung von Wasser zwischen der Carboxy-Gruppe der ersten Aminosäure und der Amino-Gruppe der nachfolgenden Aminosäure. Diese Peptid-Bindung zeigt Mesomerie. Dadurch erhält die C-N-Bindung einen sog. \"partiellen Doppelbindungscharakter\". Die Ursache dieser Mesomerie, also der Verschiebung von Elektronen, sind die Wasserstoff-Brückenbindungen der Aminosäuren der gleichen oder einer parallel verlaufenden Polypeptidkette.
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