Aminosäuren und Proteine: Struktur, Klassifizierung und Aufbau

Was sind Aminosäuren?

Aminosäuren sind die Monomere, aus denen Peptide und Proteine aufgebaut sind. Sie sind essenzielle Bestandteile aller lebenden Organismen.

Molekülstruktur

Alle Aminosäuren besitzen eine gemeinsame Grundstruktur:

• Eine Aminogruppe (-NH₂).
• Eine Carboxylgruppe (-COOH).
• Eine variable Seitenkette (Rest), die den Aminosäuren ihre spezifischen Eigenschaften verleiht.

Klassifizierung der Aminosäuren

Aminosäuren werden basierend auf ihren Seitenketten in vier Gruppen unterteilt:

• Neutral polar: Bei pH 7 hydrophob, was die Löslichkeit verringert.
• Polar neutral: Bei pH 7 hydrophil durch ungeladene Gruppen (-OH, -NH₂, -SH), die Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser ermöglichen.
• Sauer (negativ geladen): Besitzen eine zusätzliche Carboxylgruppe in der Seitenkette, die bei niedrigem pH-Wert Elektronen abgeben kann.
• Basisch (positiv geladen): Besitzen eine zusätzliche Aminogruppe in der Seitenkette, die Protonen aufnehmen kann.

Essentielle Aminosäuren

Heterotrophe Organismen können nur einige Aminosäuren selbst synthetisieren. Diejenigen, die nicht selbst hergestellt werden können, müssen über die Nahrung aufgenommen werden und werden als essentielle Aminosäuren bezeichnet. Autotrophe Organismen hingegen können alle benötigten Aminosäuren selbst synthetisieren.

Eigenschaften der Aminosäuren

Aminosäuren sind organische Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die wasserlöslich, farblos und kristallin sind sowie einen hohen Schmelzpunkt aufweisen.

Stereoisomerie

Alle Aminosäuren (außer Glycin) besitzen ein asymmetrisches C-Atom (α-C), was zu optischer Isomerie führt. Es gibt zwei Stereoisomere: D- und L-Konfiguration. Alle proteinogenen Aminosäuren liegen in der L-Konfiguration vor.

Amphoteres Verhalten

Aminosäuren können in wässriger Lösung je nach pH-Wert als Säuren oder Basen reagieren:

• Zwitterionen: In neutralen Lösungen liegt die Aminosäure als Dipol-Ion vor (Carboxylgruppe negativ, Aminogruppe positiv).
• Saurer pH-Wert (pH < 7): Die Aminosäure wirkt als Base und nimmt ein Proton auf.
• Basischer pH-Wert (pH > 7): Die Aminosäure wirkt als Säure und gibt ein Proton ab.

Der isoelektrische Punkt (pI) ist der pH-Wert, bei dem die Aminosäure als neutrales Zwitterion vorliegt. Diese Eigenschaft ermöglicht es Proteinen, als Puffer im Körper zu fungieren.

Peptidbindung und Proteinstruktur

Die Peptidbindung

Die Peptidbindung verbindet Aminosäuren zu Peptiden und Proteinen. Dabei reagiert die Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der nächsten unter Abspaltung von Wasser. Die Bindung ist kovalent, starr und weist einen partiellen Doppelbindungscharakter auf.

Strukturebenen der Proteine

1. Primärstruktur: Die lineare Sequenz der Aminosäuren, genetisch determiniert.
2. Sekundärstruktur: Räumliche Anordnung durch Wasserstoffbrücken, z. B. α-Helix (spiralförmig) oder β-Faltblatt (Zickzack-Struktur).
3. Tertiärstruktur: Die dreidimensionale Faltung des gesamten Moleküls. Man unterscheidet globuläre Proteine (löslich, aktiv) und faserartige Proteine (strukturell, unlöslich).
4. Quartärstruktur: Die Anordnung mehrerer Polypeptidketten (Untereinheiten) zu einem funktionellen Proteinkomplex.