Die Proteine

Die Proteine

I. Das Bauprinzip der Proteine

1. allgemeine Begriffsklärung und Überblick

Durch eine Aneinanderreihung der Aminosäuren nach dem Peptidprinzip gelangt man bei einer Kettenlänge von etwa hundert bis tausend Aminosäureresten zu den Proteinen. Der Begriff wurde in der heutigen Form erstmals von dem Biologen Berzelius geprägt und tauchte zuerst in 'Mulders Lehrbuch' im Jahre 1840 auf. So sind sie im menschlichen Körper für zahlreiche Lebens-funktionen verantwortlich. Man kann sagen: Kein Leben ohne Proteine. Sie sind Bestandteil jeder Zelle; sie bil -den die kontraktilen Elemente und die Enzyme, die die Energie für die Erhaltung des Lebens freisetzen. Ebenfalls liegen sie im Blut vor, worin sie Transportfunktionen erfüllen. Als Beispiele für verschiedene Proteine seien die Sklero- sowie Sphäroproteine genannt, die sich in Bau bzw. Löslichkeit unterscheiden.

2. Der chemische Aufbau der Proteine

Dieser ist im Prinzip relativ einfach: Er besteht in der Kondensation zahlreicher Aminosäuren nach dem Peptidprinzip.

a.      Bau sowie Struktur der Peptide:

Die COOH-Gruppe einer Aminosäure kann sich mit der NH₂-Gruppe einer anderen Aminosäure unter

Wasseraustritt binden, dabei entsteht ein Dipeptid (siehe Bild).Bei der Anlagerung einer weiteren Aminosäure bildet sich ein Tripeptid usw. Setzt sich dieser Vorgang fort, so entstehen lange Ketten von peptidisch verknüpften Aminosäuren; man nennt diese Polypeptide.

Die Peptidbindung ist infolge einer Elektronendelokalisierung eine Eineinhalbfach-Bindung und deshalb eben gebaut (C-und N-Atom sind nicht gegeneinander drehbar).

Bei den Resten R1 und R2 hingegen besteht diese Drehbarkeit um die Bindungsachse schon.

b.     Art und Lokalisierung vorhandener Bindungstypen

Wasserstoff-Brückenbindungen:
Diese sind wohl die wichtigsten Neben-valenzkräfte, die die Konformation der Proteinmoleküle zusammenhalten. Zwischen einer >C=O-Gruppe und dem Proton einer NH- oder OH-Gruppe kommt es zu einer Wechselwirkung, wenn diese Gruppen sich auf einen Abstand von etwa 2.8 A nähern. (Mit A bezeichnet man die Angström-Einheit, ein atomphysikalisches Längenmaß: 1A= 0.1 nm)

Disulfidbindungen:
Sie sind die wichtigsten Hauptvalenzbindungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren. Sie bildet sich zwischen zwei Cystein-SH-Gruppen durch Dehydrierung aus. Ferner liegen neben den oben aufgeführten Bindungsarten auch noch Ionenbeziehungen sowie Hydrophobe Bindungen vor.

II. Prinzipien der Kettenformation

Proteinmoleküle haben eine bestimmte räumliche Gestalt; man sagt, die Kette ist in bestimmter Weise 'gefaltet'. Es ist wahrscheinlich, daß die Art dieser Faltung bereits durch die Aminosäuresequenz festgelegt ist. Sie ist eine Konsequenz bindender Kräfte zwischen verschiedenen Abschnitten der Peptidkette.
Die Reihenfolge der Amino-säuren in einer Polypeptid-kette heißt Primärstruktur oder Aminosäurensequenz. Die Aminosäure besitzt ein Ende mit freier Aminogruppe und ein Ende mit freier Carboxylgruppe, das Polypeptid hat somit eine Richtung. Unter den Bedingungen der Zelle bestimmt die Primärstruktur die nachfolgend beschriebene räumliche Struktur.
Wenn man aber nun die räumliche Gesamtstruktur von Peptidbindungen zueinander betrachtet, können nur wenige Stellungen der Peptidbindungsebenen zueinander eine stabile Struktur ergeben. So verbinden sich die Polypeptide in verschiedenen Ebenen zu schraubig angeordneten a-Helixstrukturen. Diese sind durch Wasserstoff-Brückenbindungen stabilisiert. Auf dem gleichen Prinzip sind auch Polypeptide als Faltblatt-struktur aufgebaut. Solche Strukturen bezeichnet man als
Sekundärstruktur der Polypeptidekette.
Durch weitere chemische Wechselwirkungen erhält die Poly peptidkette eine spezifische Raumgestalt - die Tertiärstruktur des Proteins.
Die letzte mögliche Struktur ist die Quartärstruktur, die durch Wechselwirkung zwischen mehreren Polypeptid-ketten eines Proteinmoleküls zustandekommt.

III. Die Sequenz der Aminosäuren

1. Ermittlung der Aminosäuresequenz:

Zunächst muß das Protein in eine Anzahl kleinerer Bruchstücke zerlegt werden. Dies kann zum Beispiel durch eine sorgfältig eingeleitete Spaltung mit Trypsin oder durch eine spezifische chemische Spaltung bei Methioninresten mittels Bromcyan passieren. Durch eine noch fällige 'überlappende Spaltung' werden nun schließlich die entstandenen kleinen Bruchstücke auf ihre Zusammengehörigkeit überprüft. Somit erfährt man die Reihenfolge der Basen.

2. Die Hämoglobin-Sequenz als Beispiel:

Das normale Hämoglobin des Menschen ist aus vier Peptidketten und vier Hämgruppen aufgebaut, von denen je zwei einander gleich sind; sie werden a- und b-Kette genannt. Die a-Kette besteht aus 141 Aminosäuren und enthält verhältnismäßig mehr saure Gruppen als die b-Kette (146 Reste); die beiden ketten sind durch Ionenbeziehungen und Wasserstoffbrücken aneinander gebunden.