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Aminosäuren und Proteine

Abstract

Proteine sind eine der Stoffklassen, aus denen lebende Organismen aufgebaut sind. Sie dienen dem Körper als wichtige „Baustoffe“ für die Bildung vieler zellulärer und extrazellulärer Strukturen. Hierfür sind sie aufgrund ihrer Vielfalt und Wandelbarkeit besonders gut geeignet. Diese resultiert aus ihrem Aufbau: Proteine bestehen aus langen, unverzweigten und meist kompliziert gefalteten Aminosäureketten. Insgesamt 21 verschiedene Aminosäuren bilden dabei die Bausteine, aus denen die Proteine aufgebaut sind. Je nach Kettenlänge und Kombination der einzelnen Aminosäuren entstehen ganz unterschiedliche Proteine, deren Anzahl quasi unbegrenzt ist.

Aminosäuren (oder auch Aminocarbonsäuren) sind organische Moleküle, die sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carboxylgruppe tragen. Die 21 Aminosäuren, aus denen die Proteine bestehen (sog. proteinogene Aminosäuren), tragen diese beiden Gruppen am α-C-Atom und werden deshalb auch als α-Aminocarbonsäuren bezeichnet. Neben diesen zwei Gruppen hängt am α-C-Atom der proteinogenen Aminosäuren außerdem ein Wasserstoffatom sowie eine sie definierende Seitenkette. Die Seitenkette bestimmt, wie sich die Aminosäure „verhält“. Sie kann neutral, geladen, sauer, basisch, hydrophob oder hydrophil sein. Diese Eigenschaften und ihre Wechselwirkungen untereinander sind es, die letztendlich die Struktur der Proteine ausmachen.

Die Proteine des Körpers werden größtenteils vom Körper selbst hergestellt. Proteine werden aber auch mit der Nahrung aufgenommen. Diese Nahrungsproteine werden im Intestinaltrakt von den sog. Peptidasen in die einzelnen Aminosäuren zerlegt. Diese werden dann vom Organismus entweder zur Energiegewinnung abgebaut, zur Resynthese von Proteinen oder zur Synthese weiterer Stoffwechselprodukte genutzt. Dabei ist der Körper auf die Zufuhr einiger bestimmter Aminosäuren angewiesen, die er nicht selbst synthetisieren kann (sog. essentielle Aminosäuren). Nicht-essentielle Aminosäuren sind folglich jene, die der Körper selbst herstellen kann.

Aminosäuren: Struktur und Eigenschaften

Aminosäuren sind Carbonsäuren, die neben der Carboxylgruppe am α-C-Atom noch eine Aminogruppe tragen. Insgesamt sind über 100 verschiedene Aminosäuren bekannt. Sie dienen dem Organismus als Bausteine der Proteine und spielen außerdem eine wichtige Rolle im Stoffwechsel, z.B. als Vorstufe diverser Signalmoleküle sowie als Substrate der Gluconeogenese.

Aminosäuren

Proteinogene Aminosäuren

Einteilung nach Struktur der Seitenkette

Trivialname (Kürzel, Buchstabensymbol) Seitenkette (Strukturformel) Eigenschaften
Apolar

Glycin (Gly, G)

  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob
  • Achiral

Alanin (Ala, A)

  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob

Valin (Val, V)

  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob (Seitenkette besteht nur aus verknüpften C- und H-Atomen)
  • Verzweigtkettig

Leucin (Leu, L)

  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob
  • Ist verzweigtkettig

Isoleucin (Ile, I)

  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob
  • Verzweigtkettig
Methionin (Met, M)
  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob
  • Schwefelhaltig (enthält einen Thioether)
Prolin (Pro, P)
  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob
  • Besondere Konformation: Das α-C-Atom und die Aminogruppe sind gemeinsam mit der Seitenkette Bestandteil eines Pyrrolidinrings
Phenylalanin (Phe, F)
  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob (unsubstituierter aromatischer Ring als Seitenkette)
  • Aromatisch
    • Enthält eine Phenylgruppe (Benzolring)
Tryptophan (Trp, W)
  • Ungeladen
  • Apolar/Hydrophob
  • Aromatisch
    • Enthält einen Indolring
Polar, ungeladen Tyrosin (Tyr, Y)
Serin (Ser, S)
Threonin (Thr, T)
Cystein (Cys, C)
  • Ungeladen
  • Polar/Hydrophil
  • Enthält eine Thiolgruppe (SH-Gruppe)
  • Zwei Moleküle Cystein können durch Oxidation der Thiolgruppen eine Disulfidbrücke bilden und werden dann als Cystin bezeichnet
Asparagin (Asn, N)
  • Ungeladen
  • Polar/Hydrophil
  • Enthält eine Säureamidgruppe
Glutamin (Gln, Q)
  • Ungeladen
  • Polar/Hydrophil
  • Enthält eine Säureamidgruppe
Geladen Asparaginsäure (Asp, D), meistens als Aspartat bezeichnet

Glutaminsäure (Glu, E), meistens als Glutamat bezeichnet

Arginin (Arg, R)
Lysin (Lys, K)
Histidin (His, H)

Selenocystein wird häufig als 21. proteinogene Aminosäure bezeichnet. Sie wird nicht – wie der Name vermuten lässt – aus Cystein, sondern während der Translation aus Serin synthetisiert!

Essentielle / Nicht-essentielle Aminosäuren

Gruppe Definition Vertreter
Essentielle Aminosäuren
  • Können nicht synthetisiert werden
  • Müssen mit der Nahrung zugeführt werden
Nicht-essentielle Aminosäuren
  • Können im Organismus synthetisiert werden
Spezielle Untergruppen
*1 = Bedingt-essentielle Aminosäuren
*2 = Semi-essentielle Aminosäuren

Essentielle Aminosäuren: „Phänomenale Isolde trübt mitunter Leutnant Valentins lüsterne Träume.“

Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren

Aminosäuren sind Ampholyte, das heißt, sie können – in Abhängigkeit vom pH-Wert – sowohl sauer als auch basisch reagieren . Dementsprechend haben sie mindestens zwei pKS-Werte .

Bei physiologischem pH-Wert (7,4) besitzen basische Aminosäuren die Nettoladung +1 und saure Aminosäuren die Nettoladung −1.

Peptide und Proteine: Struktur und Eigenschaften

Peptide und Proteine bestehen aus Aminosäuren, die durch Peptidverbindungen unverzweigt miteinander verknüpft sind.

Peptide

Peptidbindungen werden am Ribosom unter Wasserabspaltung und Energieverbrauch geknüpft!

Proteine

  • Definition: Kette von über 100 Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verknüpft sind
  • Funktion: Wichtigste Struktureinheit des menschlichen Körpers
  • Struktur: Einteilung in Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur (siehe Tabelle „Struktur der Proteine“)

Die Struktur der Proteine ist maßgeblich für deren Funktion verantwortlich!

Struktur der Proteine
Primärstruktur der Proteine Die Primärstruktur beschreibt die genetisch festgelegte Aminosäuresequenz eines Proteins
  • N- und C-Terminus: In einem Protein findet sich an einem Ende eine freie Aminogruppe (N-Terminus) und am anderen Ende eine freie Carboxylgruppe (C-Terminus)
    • Definitionsgemäß „liest“ man eine Peptidkette vom N-Terminus zum C-Terminus
Sekundärstruktur der Proteine Die Sekundärstruktur ist Folge der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Carbonyl- und NH-Gruppen des Rückgrats der Peptidkette. Man unterscheidet α-Helix, β-Faltblatt, β-Kehre und Ω-Schleife
  • α-Helix: Schraubenförmig gewundene Peptidkette, die durch Wasserstoffbrücken innerhalb der Peptidkette stabilisiert wird
    • Beschreibung
      • Rückgrat der Aminosäurekette liegt parallel zur Helixachse, die Seitenketten weisen nach außen
      • Meist rechtsgängig
      • Pro Windung liegen 3,6 Aminosäureseitenketten vor
  • β-Faltblatt: Verknüpfung mind. zweier Peptidketten mit Wasserstoffbrückenbindungen
    • Beschreibung
      • Rückgrat liegt nahezu gestreckt vor, die Seitenketten liegen abwechselnd oberhalb und unterhalb der Faltblattebene
      • Paralleles Faltblatt: Die miteinander verknüpften Peptidketten verlaufen in derselben Richtung
      • Antiparalleles Faltblatt: Die Peptidketten laufen in entgegengesetzter Richtung
      • Gemischtes Faltblatt: Bei mehr als zwei Peptidketten können sowohl parallele als auch antiparallele auftreten
  • Proteinbereiche, die eine regelmäßige Struktur (α-Helix- oder β-Faltblattstruktur) aufweisen, werden durch Schleifen (engl. loops) oder Kehren (engl. turns) verbunden oder durch unstrukturierte Bereiche (engl. random coils) unterbrochen
    • β-Kehre (engl. β-turn): Richtungsänderung im Proteinrückgrat, die durch eine Wasserstoffbrückenbindung stabilisiert wird und meist nur aus vier Aminosäuren besteht
    • Ω-Schleife (engl. Ω-loop): Richtungsänderung im Proteinrückgrat, die an der Oberfläche von globulären Proteinen eine durch Wasserstoffbrücken stabilisierte Schleife ausbildet
Tertiärstruktur der Proteine Die Tertiärstruktur ist definiert als die stabile räumliche Anordnung der verschiedenen Sekundärstrukturen innerhalb eines Proteins. Sie wird stabilisiert durch eine spezifische räumliche Anordnung der Aminosäuren, sowie Wechselwirkungen der Seitenketten untereinander.
Quartärstruktur der Proteine
  • Die Quartärstruktur ergibt sich, wenn ein Protein aus mehreren Einzelproteinen („Untereinheiten“) besteht. Sie beschreibt, wie sich diese Untereinheiten strukturieren.
    • Bspw. besteht das Hämoglobin aus insgesamt vier Untereinheiten, die sich auf spezifische Weise zusammenlagern.

Denaturierung von Proteinen

Die korrekte räumliche Struktur von Proteinen ist Voraussetzung für ihre Funktionen. Geht diese Struktur verloren, bezeichnet man das als Denaturierung. Häufig wird sie durch eine Änderung der äußeren Bedingungen verursacht.

  • Arten der Denaturierung: Je nachdem, ob sich die Struktur des Proteins nach Denaturierung wiederherstellen lässt oder nicht, unterscheidet man die reversible von der irreversiblen Denaturierung
  • Ursachen von Denaturierung
    • Änderung des Lösungsmittels
    • pH-Änderungen
    • Temperaturänderungen
    • Zugabe von Harnstoff und Iminoharnstoff

Alzheimer-Krankheit und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit
Fehlgefaltete Proteine können Krankheiten verursachen. Ein wichtiges Beispiel ist die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, die durch fehlgefaltete Proteine, sog. „Prionen“ (abgeleitet aus engl. „proteine“ und „infection“) verursacht wird. Prionen kommen vor allem in Gehirnzellen vor. Dabei gibt es physiologische und pathogene Varianten: Normalerweise bestehen große Teile des Prions aus α-Helices und ein kleinerer Teil aus β-Faltblattstrukturen. Es gibt jedoch noch eine „anormale“ Variante des Prions, bei der sich dieses Verhältnis genau umkehrt. Das Besondere an den anormalen Prionen ist, dass sie normale Prionen „anstecken“ können, das heißt bei Kontakt die gleiche fatale Konformationsänderung verursachen können. Die normalen Prionen gehen dadurch nach und nach in den anormalen Zustand über. Diese anormalen Prionen sind unlöslich, lagern sich nun in den Gehirnzellen ab und zerstören sie mit der Zeit. Durch das Absterben kommt es zu einer löchrigen, schwammartigen Struktur des Gehirns, weshalb die Erkrankung auch „spongiforme Enzephalopathie“ („schwammartige Gehirnerkrankung“) genannt wird. Eine weitere Erkrankung, die durch Fehlfaltung bei Proteinen entsteht, ist die Alzheimer-Krankheit, bei der sich fehlgefaltete sog. „β-Amyloid-Fibrillen“ im Gehirn ablagern.

Verdauung und Resorption

Verdauung von Proteinen

Die wichtigsten Peptidasen des Verdauungstraktes
Peptidasentyp Enzym Vorkommen Reaktion Produkt
Endopeptidasen

Pepsin

Trypsin
Chymotrypsin
  • Spaltet bevorzugt hinter aromatischen und großen, hydrophoben Aminosäuren

Exopeptidasen Carboxypeptidase A
Carboxypeptidase B
Aminopeptidase
  • Darmmukosa
Dipeptidase
  • Darmmukosa

Die Pankreas-Peptidasen werden als inaktive Vorstufen sezerniert und erst im Duodenum aktiviert. Trypsinogen (die Vorstufe des Trypsins) wird von den Peptidasen der Darmmucosa gespalten, alle anderen Vorstufen werden dann von Trypsin aktiviert!

Pepsinogen ist die Vorstufe des Pepsin und wird von der Magensäure in die aktive Form umgewandelt!

Antitrypsinmangel
In der Lunge hat Trypsin die Aufgabe, eingedrungenes Fremdeiweiß zu spalten. Seine Aktivität wird durch das körpereigene Antitrypsin in Schach gehalten, welches eine Selbstandauung des Lungengewebes verhindert. Im Rahmen eines hereditären Antitrypsinmangels kommt es durch die fehlende Hemmung des Trypsins zu einer progredienten Zerstörung des Lungengewebes, die sich vor allem in Form eines ausgeprägten Lungenemphysems und einer respiratorischen Insuffizienz bemerkbar macht.

Exokrine Pankreasinsuffizienz
Als Folge von Erkrankungen, die das Pankreas (mit‑)betreffen (wie z.B. die Pankreatitis oder die Mukoviszidose), kann es zu einer Zerstörung der Zellen des exokrinen Pankreas kommen. Dies geht mit einer verminderten Bildung der pankreatischen Verdauungsenzyme, unter anderem der Peptidasen, einher. Bei Kindern macht sich dies häufig als Gedeihstörung (mangelnde Gewichtszunahme trotz ausreichender Nahrungszufuhr), bei Erwachsenen durch Gewichtsverlust bemerkbar. Charakteristisch sind außerdem die sogenannten „Fettstühle“, die von der mangelhaften Fettverdauung herrühren. Man bezeichnet diesen Zustand als „exokrine Pankreasinsuffizienz“.

Resorption von Proteinen

Neugeborene können auch intakte Proteine (wie bspw. mütterliche Antikörper) mittels Pinozytose in die Enterozyten aufnehmen, da im Verdauungstrakt zunächst nur wenige Peptidasen vorliegen und das Kolostrum (=Vormilch) Peptidaseinhibitoren enthält!

Proteinabbau

Im Rahmen des normalen Proteinumsatzes werden in allen Körperzellen ständig Proteine synthetisiert und abgebaut. Zelleigene Proteine werden gezielt im sog. Proteasom abgebaut. Der Abbau zellfremder Proteine, die durch Endozytose aufgenommen werden, erfolgt in den Lysosomen.

Proteasomaler Proteinabbau

  • Ubiquitinierung: Abzubauende Proteine werden mit Ubiquitin markiert, diese Markierung wird von drei Enzymen katalysiert
    1. Aktivierung von Ubiquitin zu AMP-Ubiquitin durch das Ubiquitin-aktivierende-Enzym (E1)
    2. Bindung von Ubiquitin an einen Cysteinylrest von E1 unter Abspaltung von AMP
    3. Übertragen von Ubiquitin auf das Ubiquitin-konjugierende-Enzym (E2)
    4. Übertragen von Ubiquitin auf einen Lysinrest des abzubauenden Proteins durch die Ubiquitin-Protein-Ligase (E3) . Es entsteht eine Isopeptidbindung (Amidbindung).
  • Abbau
    • Ablauf: Das Proteasom erkennt das durch eine Kette von Ubiquitinen markierte Protein, bindet es und beginnt mit der proteolytischen Spaltung
    • Beteiligte Strukturen
      • Proteasom: ATP-abhängiger Proteasekomplex (26S-Proteasom), bestehend aus drei Untereinheiten
        • 20S-Untereinheit: Unspezifische Peptidaseaktivität
        • Zwei 19S-Untereinheiten: Abspaltung der Ubiquitinmoleküle
      • Weiterverwertung der Abbauprodukte: Peptidfragmente aus dem Proteasom können über MHC-I-Moleküle an der Zelloberfläche präsentiert werden

Lysosomaler Abbau zellfremder Proteine

Durch Endozytose aufgenommene Proteine werden in den Lysosomen abgebaut. Vergleichbar verläuft der durch Autophagie vermittelte lysosomale Abbau zelleigener Makromoleküle.

  1. Zellfremde Proteine werden mittels Endozytose aufgenommen, befinden sich also zunächst in Endosomen (Endozytose-Vesikeln)
  2. Die Endosomen in der Zellperipherie werden als „frühe Endosomen“ bezeichnet. Sie wandern ins Zellinnere, hier heißen sie dann „späte Endosomen
  3. Die späten Endosomen verschmelzen mit Lysosomen
  4. Die Peptidbindungen der zellfremden Proteine werden nun durch die lysosomalen Hydrolasen gespalten

Funktion im Überblick

Funktion der Aminosäuren

Aminosäuren sind nicht nur Grundbaustein der Proteine, sondern dienen auch als Ausgangsstoffe für diverse Synthesen (siehe: Aminosäurestoffwechsel).

Funktion der Proteine

Proteine erfüllen in Abhängigkeit von ihrem Vorkommen in der Zelle bzw. im Organismus eine Vielzahl lebenswichtiger Funktionen.

Proteinklasse Funktionen Beispiele
Enzyme
  • Katalysieren biochemische Reaktionen
Hormone, Rezeptoren, Signalproteine und Transkriptionsfaktoren
  • Übermitteln Signale meist von extrazellulär in den Zellkern, wo sie Einfluss auf die Genexpression nehmen können
Tunnel- und Kanalproteine, Carrier
  • Ermöglichen den gezielten Stofftransport oder auch die elektrische Signalübertragung über Membranen
Strukturproteine
  • Stabilisieren Gewebe
  • Bringen interagierende Proteine in die Nähe voneinander und bilden eine Art „Gerüst“ für diese, wodurch Reaktionsgeschwindigkeiten erhöht und Proteine auf ein zelluläres Kompartiment beschränkt werden
Plasmaproteine
Kontraktile Proteine
  • Transportieren Stoffe in der Zelle entlang des Zytoskeletts
  • Vermitteln die Muskelkontraktion

Wiederholungsfragen zum Kapitel Aminosäuren und Proteine

Aminosäuren: Struktur und Eigenschaften

Beschreibe die allgemeine Struktur der proteinogenen Aminosäuren!

Nenne Eigenschaften von Histidin!

Nenne Eigenschaften von Leucin und Isoleucin!

Welche zwei proteinogenen Aminosäuren sind schwefelhaltig und in welcher Form liegt Schwefel jeweils vor?

Welche proteinogenen Aminosäuren sind bei physiologischem pH-Wert (um pH 7) positiv geladen?

Welche proteinogenen Aminosäuren gehören zu den sauren Aminosäuren? Wie sind sie jeweils bei physiologischem pH-Wert (um pH 7) geladen?

Welche der proteinogenen Aminosäuren gehören zu den aromatischen Aminosäuren? Welches Ringsystem enthalten sie jeweils?

Welche besondere Struktur weist Prolin auf?

Wie wird Selenocystein synthetisiert?

Nenne alle essentiellen Aminosäuren!

Wie sind die Amino- und Carboxylgruppen am α-C-Atom von Aminosäuren bei physiologischem pH-Wert jeweils geladen?

Was ist der isoelektrische Punkt einer Aminosäure und wie wird er berechnet?

Peptide und Proteine: Struktur und Eigenschaften

Wie entsteht eine Peptidbindung und welche Konformation hat sie?

Auf welche Arten können sich zwei Aminosäuren verbinden?

Welche Atomsequenz wird als Rückgrat der Peptidkette bezeichnet?

Welche Sekundärstrukturen von Proteinen kennst du? Wie entstehen sie?

Beschreibe Eigenschaften einer α-Helix! Wie viele Aminosäureseitenketten liegen in etwa pro 360°-Windung vor?

Wann bildet ein Protein eine Quartärstruktur aus? Nenne ein Beispiel!

Verdauung und Resorption

Wie entsteht Pepsin und welche Funktion hat es?

Wie werden Peptide im Darm resorbiert?

Wie entsteht Trypsin? An welcher Stelle spaltet es typischerweise Peptidbindungen?

Welche Eigenschaft haben Aspartatproteasen? Nenne typische Beispiele!

Beschreibe die Funktionsweise von Serinproteasen und nenne Beispiele!

Proteinabbau

Wozu dient die Ubiquitinierung von Proteinen und wie läuft sie ab? Welcher Bindungstyp liegt anschließend vor?

Was haben die Proteasomen mit den MHC-Molekülen zu tun?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.