Biochemie: Proteine, Enzyme und Nukleinsäuren

Proteine: Aufbau und Struktur

Proteine sind organische Formen, die aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Schwefel (S) bestehen. Diese Biomoleküle sind Makromoleküle, die durch die Verknüpfung von Untereinheiten, den sogenannten Aminosäuren (AA), gebildet werden. Eine Aminosäure besteht aus einem zentralen Kohlenstoffatom (C), an das eine Carboxylgruppe, ein Wasserstoffatom (H), eine Aminogruppe und ein Rest (Radikal) gebunden sind. Proteine bestehen aus 20 verschiedenen Aminosäuren, die durch eine Peptidbindung verbunden werden (durch die Vereinigung der Aminogruppe einer Aminosäure mit der Carboxylgruppe einer anderen unter Abspaltung von H₂O).

Die vier Ebenen der Proteinstruktur

Die dreidimensionale Struktur eines Proteins hängt von seiner Funktion ab. Die Polypeptidkette ist gefaltet, was durch die Abfolge der Aminosäuren bestimmt wird. Es gibt vier Ebenen der Komplexität:

• Struktur 1 (Primärstruktur): Die Reihenfolge der Aminosäuren in der Polypeptidkette.
• Struktur 2 (Sekundärstruktur): Es gibt zwei Typen: die α-Helix, bei der sich die Polypeptidkette spiralförmig faltet (z. B. Haarkeratin), und das β-Faltblatt, bei dem die Kette im Zick-Zack verläuft.
• Struktur 3 (Tertiärstruktur): Die Sekundärstruktur faltet sich weiter in sich selbst zurück, wodurch fibrilläre oder kugelförmige Strukturen entstehen, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den Aminosäuren stabilisiert werden.
• Struktur 4 (Quartärstruktur): Die Verbindung mehrerer Tertiärstrukturen führt zu großen Molekülen (z. B. Hämoglobin).

Denaturierung von Proteinen

Extreme Veränderungen in der Umgebung, wie ein Anstieg der Temperatur oder eine Änderung des pH-Werts, führen zum Verlust der Strukturen. Die Folge ist, dass das Protein seine Funktion und seine Eigenschaften verliert (Denaturierung).

Funktionen der Proteine

• Struktur: Keratin
• Transport: Hämoglobin
• Regulation: Insulin
• Kontraktion: Aktin
• Abwehr: Antikörper
• Enzymatisch: Enzyme

Enzyme als biologische Katalysatoren

Enzyme sind Proteine, die als biologische Katalysatoren wirken. Sie beschleunigen metabolische Reaktionen. Dabei binden sie an ein Substrat (Substrat + Enzym → Enzym-Substrat-Komplex). Diese vorübergehende Bindung katalysiert die Umwandlung des Substrats in ein Produkt.

Eigenschaften von Enzymen

• Spezifität: Sie sind spezifisch auf eine bestimmte chemische Reaktion oder ein Substrat ausgerichtet.
• Effizienz: Ein einzelnes Enzymmolekül kann viele Substratmoleküle pro Minute katalysieren, ohne dabei verbraucht zu werden; sie wirken bereits in kleinen Mengen.
• Benennung: Die Benennung erfolgt oft durch das Anhängen der Endung „-ase“ an den Namen des Substrats (z. B. wird aus Maltose die Maltase).

Nukleinsäuren: DNA und RNA

Nukleinsäuren sind Biomoleküle, die aus C, H, O, P und N bestehen. Sie sind Polymere aus Nukleotiden. Ein Nukleotid entsteht durch die Vereinigung eines Nukleosids mit einer Phosphorsäure. Das Nukleosid wiederum wird durch die Verbindung einer Pentose (Zucker) mit einer Stickstoffbase gebildet.

Stickstoffbasen und Typen

Es gibt zwei Arten von Stickstoffbasen:

• Pyrimidine: Cytosin, Thymin und Uracil.
• Purine: Adenin und Guanin.

Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren. Es gibt zwei Typen, abhängig von der Pentose und den enthaltenen Basen:

• DNA: Enthält Desoxyribose und die Basen Adenin (A), Cytosin (C), Thymin (T) und Guanin (G).
• RNA: Enthält Ribose und die Basen Adenin (A), Cytosin (C), Uracil (U) und Guanin (G).

Struktur und Funktion der DNA

Die DNA besitzt eine Doppelhelix-Struktur mit zwei schraubenförmig aufgerollten Nukleotidketten. Die Stränge sind antiparallel angeordnet, und die Stickstoffbasen sind zum Inneren des Gerüsts gerichtet. Die Struktur wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen stabilisiert. Die Funktion der DNA ist die Speicherung der Erbinformation, welche die Zelle nutzt, um alle ihre Proteine zu produzieren.

Struktur und Typen der RNA

Die RNA besteht aus einer einzelnen Kette von Nukleotiden. Es gibt verschiedene Typen: mRNA (Messenger-RNA), tRNA (Transfer-RNA) und rRNA (ribosomale RNA).