Biochemie: Proteine, Aminosäuren, Enzyme und Nukleinsäuren

Proteine: Struktur und biologische Bedeutung

Als organische Moleküle gehören Proteine zu den reichhaltigsten und wichtigsten Bestandteilen der Zelle; sie machen 50 % oder mehr ihres Trockengewichts aus. Proteine kommen in allen Zellstrukturen vor, da sie die grundlegende Basis für Struktur und Funktion der Zellen bilden. Es gibt zahlreiche verschiedene Proteinarten, von denen jede eine spezifische und vielfältige biologische Rolle einnimmt. Zudem wird der Großteil der genetischen Information über Proteine exprimiert.

Proteine zählen zur Klasse der Peptide, da sie aus Aminosäuren aufgebaut sind, die über Peptidbindungen verknüpft werden. Eine Peptidbindung entsteht durch die Reaktion der Aminogruppe (–NH₂) einer Aminosäure mit der Carboxylgruppe (–COOH) einer anderen Aminosäure unter Bildung einer Amidbindung und Abspaltung von Wasser.

Proteine sind grundlegende Bausteine des Lebens. Ihr Name leitet sich vom griechischen Wort „Proteios“ ab, was „an erster Stelle stehend“ bedeutet. Bei Tieren machen Proteine etwa 80 % des Trockengewichts der Muskeln, etwa 70 % der Haut und 90 % des getrockneten Blutes aus. Auch in Pflanzen sind Proteine essenziell und reichlich vorhanden.

Die biologische Bedeutung von Proteinen im Organismus hängt primär von ihren Funktionen und nicht zwingend von ihrer Masse ab. Alle bekannten Enzyme sind beispielsweise Proteine, wenngleich sie oft nur in sehr geringen Konzentrationen vorkommen. Dennoch katalysieren diese Biokatalysatoren alle Stoffwechselreaktionen und ermöglichen den Aufbau lebensnotwendiger Moleküle wie Nukleinsäuren, Kohlenhydrate und Lipide.

Aminosäuren: Bausteine des Körpers

Aminosäuren sind die grundlegenden Bausteine des Körpers. Neben dem Aufbau von Zellen und Geweben erfüllen sie vielseitige Aufgaben:

• Sie bilden Antikörper zur Abwehr von pathogenen Viren und Bakterien.
• Sie sind essenzieller Bestandteil von Enzymen und Hormonen.
• Sie bilden Nukleoproteine (DNA und RNA).
• Sie unterstützen den Sauerstofftransport und die Muskelaktivität.

Werden Proteine durch den Verdauungsprozess hydrolysiert, entstehen 22 bekannte Aminosäuren. Acht davon gelten für den Menschen als essenziell (sie können vom Körper nicht synthetisiert werden), während die übrigen nicht-essenziell sind und bei ausgewogener Ernährung vom Stoffwechsel gebildet werden können.

Nicht-essenzielle Aminosäuren

Diese Aminosäuren werden direkt im eigenen Organismus gebildet. Der tierische Organismus kann typischerweise nur etwa 12 der 20 standardmäßigen Aminosäuren selbst herstellen; die restlichen müssen über die Nahrung zugeführt werden. Pflanzen hingegen besitzen die Fähigkeit, alle 20 Aminosäuren selbst zu synthetisieren.

Essenzielle Aminosäuren

Essenzielle Aminosäuren können von tierischen Organismen nicht selbst hergestellt werden, sind jedoch für die Proteinbiosynthese unverzichtbar und müssen zwingend über die Nahrung aufgenommen werden.

• Nicht-essenzielle Aminosäuren: Alanin, Arginin, Asparagin, Asparaginsäure, Cystein, Glutamin, Glutaminsäure, Glycin, Prolin, Serin, Tyrosin.
• Essenzielle Aminosäuren: Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin.

Da kaum ein Nahrungsmittel alle Aminosäuren im idealen Verhältnis bereitstellt, ist eine diversifizierte Ernährung unerlässlich. Zu den Lebensmitteln mit der höchsten biologischen Wertigkeit und Konzentration an essenziellen Aminosäuren gehören tierische Erzeugnisse wie Fleisch, Eier, Milch und Käse. Bei pflanzlicher Ernährung sollten Proteinquellen abwechslungsreich kombiniert werden.

Peptide und Peptidbindungen

Peptide sind Biomoleküle, die durch die kovalente Verknüpfung von Aminosäuren entstehen. Die Verbindung erfolgt zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer nachfolgenden Aminosäure, stets unter Freisetzung eines Wassermoleküls (Kondensationsreaktion).

Klassifizierung nach der Anzahl der Aminosäuren:

• Dipeptid: zwei Aminosäuren
• Tripeptid: drei Aminosäuren
• Tetrapeptid: vier Aminosäuren
• Oligopeptid: Moleküle aus zwei bis zehn Aminosäuren
• Polypeptid: Ketten aus elf oder mehr Aminosäuren

Enzyme: Biologische Katalysatoren

Als Enzyme bezeichnet man komplexe Proteine (reine Proteine oder Heteroproteine/Proteinkomplexe), die im Organismus als Biokatalysatoren biochemische Reaktionen beschleunigen.

• Endoenzyme (intrazelluläre Enzyme): wirken innerhalb der Zelle, in der sie gebildet wurden.
• Exoenzyme (extrazelluläre Enzyme): werden von der Zelle sezerniert und entfalten ihre Wirkung außerhalb der Zelle.

Enzyme sind empfindliche Proteine, die durch Hitze (in der Regel bei Temperaturen über 70 °C), intensive mechanische Bewegung, UV-Strahlung, Ultraschall sowie chemische Einflüsse (wie Cyanid, Fluorid, Schwermetallspuren, starke Säuren und Basen) denaturieren und inaktiviert werden.

Hinsichtlich ihrer Funktionsweise gilt das Schlüssel-Schloss-Prinzip: Das Enzym bindet hochspezifisch an sein jeweiliges Substrat und bildet einen intermediären Enzym-Substrat-Komplex. Nach dem Reaktionsumsatz zerfällt der Komplex; das Reaktionsprodukt wird freigesetzt und das unveränderte Enzym regeneriert.

Die Nomenklatur folgt in der Regel der Benennung des Substrats mit der Endung -ase, wie etwa Urease (spaltet Harnstoff) oder Maltase (hydrolysiert Maltose).

Nukleinsäuren: Träger der Erbinformation

Allgemeine Konzepte

Nukleinsäuren sind Makromoleküle, die für die Speicherung, Übertragung und Expression der genetischen Information verantwortlich sind. Grundsätzlich werden zwei Haupttypen unterschieden:

• DNA (Desoxyribonukleinsäure)
• RNA (Ribonukleinsäure)

Nukleinsäuren sind Biopolymere, die aus Nukleotid-Monomeren aufgebaut sind. Diese sind über kovalente Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft und basieren auf fünf verschiedenen stickstoffhaltigen Basen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil).