Aminosäuren und Proteinstruktur: Amphoterie, isoelektrischer Punkt und Faltung

Aminosäuren und Proteine: Grundlagen

Amphoterer Charakter der Aminosäuren

Amphoterer Charakter: Säuren sind ionisierte Carboxylgruppen, die ein Proton verlieren und sich wie eine Säure verhalten. Gleichzeitig kann die Aminogruppe ein Proton aufnehmen und als Base dienen. Dies führt zur Bildung eines Zwitterions oder Hybrids. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, sowohl als Säuren als auch als Basen zu fungieren. Dies hängt vom pH-Wert ab. Die Seitenketten können auch andere Gruppen enthalten, die die Aminosäure ionisieren und die Ladung beeinflussen können.

Isoelektrischer Punkt (IEP)

Isoelektrischer Punkt: Dies ist der pH-Wert, bei dem die Nettoladung der Aminosäure Null ist. Jede Aminosäure besitzt einen unterschiedlichen isoelektrischen Punkt.

Peptidbindung

Peptidbindung: Aminosäuren binden über Peptidbindungen. Diese Bindung entsteht zwischen der Carboxylgruppe (alpha) einer Aminosäure und der Aminogruppe (alpha) einer anderen Aminosäure, wobei ein Wassermolekül freigesetzt wird. Die Vereinigung von zwei Aminosäuren ergibt ein Dipeptid, und weitere können sich zu einem Tripeptid verbinden, wobei jeweils ein Wassermolekül freigesetzt wird. Viele Aminosäuren können durch Peptidbindungen verbunden werden und so eine lange Kette bilden, die als lineares Polypeptid bezeichnet wird.

Die Peptidbindung besitzt einen partiellen Doppelbindungscharakter, der durch Resonanz stabilisiert wird, wodurch die Atome der Bindung (C-O und N-H) in derselben Ebene liegen. Diese Bindung erlaubt keine Rotation, wohl aber die anderen Bindungen im Polypeptid.

Proteinstruktur

Strukturebenen

Die Struktur der Proteine basiert auf drei Dimensionen. Die Polypeptidkette muss sich so falten und anordnen, dass ihre Funktion für die biologische Entwicklung geeignet ist.

Primärstruktur

Primärstruktur: Umfasst die Aminosäuresequenz der Polypeptidkette. Die verschiedenen Proteine unterscheiden sich in der Anzahl, Art und Reihenfolge der Aminosäuren. Dies ist eine Folge der genetischen Information in der Zelle. Jede Polypeptidkette besitzt am Anfang eine freie Aminogruppe und am Ende eine freie Carboxylgruppe. Die Aminosäure am Anfang dieser Struktur trägt die freie Aminogruppe (N-Terminus), die am Ende die freie Carboxylgruppe (C-Terminus).

Sekundärstruktur

Sekundärstruktur: Bezieht sich auf die Faltungen der frühen Struktur. Es gibt stabile Konformationen, die beibehalten werden. Diese Konformationen bilden die Sekundärstruktur.

Alpha-Helix (α-Helix)

Alpha-Helix: Entsteht durch die spiralförmige Aufwicklung der Polypeptidkette um sich selbst. Es bildet sich eine rechtsdrehende Spirale. Die Stabilisierung der Alpha-Helix wird durch zahlreiche Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der NH-Gruppe und der C=O-Gruppe benachbarter Peptidbindungen erreicht. Die Seitenketten zeigen nach außen und sind nicht an der Stabilisierung der Struktur beteiligt.

Einige Aminosäuren können zur Destabilisierung der Alpha-Helix führen, wie zum Beispiel Prolin, dessen Aminogruppe keine Wasserstoffatome für Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Aminosäuren bereitstellt, da es die Peptidbindung umformt.

Beta-Faltblatt-Struktur (β-Faltblatt)

Beta-Faltblatt-Struktur: Die Polypeptidstränge falten sich vorwärts und rückwärts und liegen parallel oder antiparallel zueinander. Die Aufrechterhaltung dieser Strukturen erfolgt durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den NH- und C=O-Gruppen verschiedener Peptidbindungen. Es entsteht eine zickzackförmige Faltblattstruktur, oberhalb und unterhalb derer sich abwechselnd die Aminosäurereste befinden.

Kombinationen aus Alpha-Helices und Beta-Faltblättern können sehr stabil sein und bilden strukturelle Domänen. Apolare Aminosäuren können in demselben Protein zu verschiedenen Strukturen und Funktionen führen.

Tertiärstruktur

Tertiärstruktur: Da die zelluläre Umgebung wässrig ist, ordnen sich die apolaren Aminosäuren im Inneren der Struktur an, um den Kontakt mit Wasser zu vermeiden. Die polaren Aminosäuren befinden sich an der Außenseite.

Die stabilste Konformation unter zellulären Bedingungen ist der native Zustand, der für jedes Protein spezifisch ist. Die Faltungen entstehen und werden durch eine Reihe von Bindungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren aufrechterhalten. Daher ist die Aminosäuresequenz der Primärstruktur grundlegend für die räumliche Konformation des Proteins.

Es treten auf:

• Elektrostatische Bindungen zwischen Radikalen mit entgegengesetzter Ladung.
• Wasserstoffbrückenbindungen zwischen polaren Aminosäuren.
• Hydrophobe Wechselwirkungen und Van-der-Waals-Kräfte zwischen apolaren Aminosäuren.
• Disulfidbrücken zwischen zwei Cystein-Aminosäuren (kovalente Bindung, stärker als andere).

Quartärstruktur

Quartärstruktur: Beschreibt die räumliche Anordnung verschiedener Untereinheiten. Dies tritt bei großen Proteinen auf, die aus mehreren Untereinheiten bestehen, welche gleich oder verschieden sein können.

Die beteiligten Bindungen sind dieselben wie in der Tertiärstruktur. Die Quartärstruktur hängt von der Tertiär-, Sekundär- und Primärstruktur ab.

Denaturierung

Denaturierung: Wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern, kann das Protein seine räumliche Konfiguration und damit seine biologische Funktion verlieren. Dieser Verlust wird als Denaturierung bezeichnet. Bei der Denaturierung werden die Bindungen, welche die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur zusammenhalten, gebrochen, die Peptidbindungen bleiben jedoch erhalten.

Wenn die Änderungen nur kurzzeitig oder geringfügig sind, ist die Denaturierung reversibel, und das Protein kann sich wieder in die native Konformation falten. Dies zeigt, dass die spontane Renaturierung der räumlichen Struktur von der Primärstruktur abhängt.

Sind die Änderungen intensiver oder länger anhaltend, ist die Denaturierung irreversibel, und das Protein kann seine räumliche oder biologische Form nicht wiedererlangen. Physikalische und chemische Faktoren können die Denaturierung verursachen. pH-Änderungen führen beispielsweise zu Veränderungen im Ionisationszustand der sauren und basischen Seitenketten.