Hierarchie der Proteinstruktur: Aminosäuren, Peptidbindung und Faltung
Grundlagen der Proteinstruktur: Aminosäuren und Peptidbindungen
Aminosäuren: Bausteine der Proteine
Proteine sind Makromoleküle, die aus Aminosäuren (AA) aufgebaut sind, welche durch Peptidbindungen miteinander verknüpft werden. Typische Proteine bestehen aus 100 bis 300 Aminosäuren, wobei insgesamt 20 verschiedene Arten von Aminosäuren existieren.
- Aminosäuren sind Enantiomere (spiegelbildliche Isomere).
- Proteine verwenden fast ausschließlich Aminosäuren der L-Konfiguration (L-Serie).
- Alle Aminosäuren besitzen die gleiche Grundstruktur.
Der Zwitterion-Charakter
Aminosäuren können in Form eines Zwitterions vorliegen. In dieser Form tragen sie keine Netto-Ladung (0 negative Ladung), da sie sowohl eine protonierte (basische) Aminogruppe (-NH₃⁺) als auch eine deprotonierte (saure) Carbonsäuregruppe (-COO⁻) besitzen.
Die Peptidbindung
Aminosäuren sind kovalent durch die Peptidbindung verbunden. Zwei Aminosäuren reagieren über ihre Carboxylgruppe und ihre Aminogruppe in einer Kondensationsreaktion, wobei Wasser abgespalten wird und die Peptidbindung entsteht.
Eigenschaften der Peptidbindung
- Die Peptidbindung besitzt einen partiellen Doppelbindungscharakter (zwischen C und O, sowie zwischen C und N).
- Dieser Doppelbindungscharakter verhindert die freie Rotation um die C-N-Bindung.
- Die Atome der Peptidbindung liegen dadurch in einer starren Ebene (Planarität).
- Die Peptidbindung hat einen polaren Charakter.
Hierarchische Proteinstrukturen
Proteine falten sich in komplexe, hierarchische Strukturen, die ihre Funktion bestimmen:
1. Primärstruktur
Die Primärstruktur eines Proteins besteht aus der spezifischen Sequenz der Aminosäuren, die durch Peptidbindungen in der Polypeptidkette verbunden sind.
2. Sekundärstruktur
Die Sekundärstruktur beschreibt regelmäßige, sich wiederholende lokale Faltungsstrukturen, die die Polypeptidkette annehmen kann.
Die Alpha-Helix (α-Helix)
Die α-Helix wird durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert, die sich zwischen der Aminogruppe (H-Geber) und der Carboxylgruppe (O-Akzeptor) innerhalb derselben Kette ausbilden.
Das Beta-Faltblatt (β-Faltblatt)
Das β-Faltblatt besteht aus gestreckten Kettenfragmenten (Strängen), die nebeneinander liegen und durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden.
- Antiparallele Stränge: Benachbarte Stränge verlaufen in entgegengesetzte Richtungen.
- Parallele Stränge: Benachbarte Stränge verlaufen in die gleiche Richtung (langer Strang mit einem Twist, Seite an Seite).
- (Anmerkung: Die Grundeinheit ist ein Strang, der durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird.)
Sekundärstruktur-Motive
Motive sind diskrete, häufig beobachtete Aggregate von Sekundärstrukturen, die sich in Protein-Protein-Wiederholungen finden lassen.
3. Tertiärstruktur
Die Tertiärstruktur beschreibt die dreidimensionale Gesamtfaltung der Polypeptidkette. Sie wird durch verschiedene Wechselwirkungen stabilisiert, darunter:
- Kovalente Wechselwirkungen (z. B. Disulfidbrücken).
- Nicht-kovalente Wechselwirkungen (z. B. Van-der-Waals-Kräfte).
Die Tertiärstruktur kann sekundäre Strukturen enthalten.
4. Quartärstruktur
Die Quartärstruktur ist die nicht-kovalente Vereinigung von zwei oder mehr Polypeptidketten, die als Untereinheiten bezeichnet werden, zu einem funktionalen Proteinkomplex.
Proteindomänen und Stabilität
Proteindomänen
Domänen sind Abschnitte des Proteins, die sich unabhängig falten und kompakte Einheiten bilden. Sie bestehen typischerweise aus 50 bis 300 Aminosäuren und sind oft durch Segmente ohne regelmäßige Sekundärstruktur verbunden.
Eine bestimmte Art von Domäne kann in verschiedenen Proteinen gefunden werden und dort unterschiedliche Funktionen erfüllen.
Disulfidbrücken
Disulfidbrücken (kovalente Bindungen zwischen zwei Cysteinresten) tragen wesentlich zur Stabilität bei:
- Sie verleihen dem Protein Widerstandsfähigkeit gegen Hitze und verhindern die Denaturierung durch milde Denaturierungsmittel wie Harnstoff.
- Sie können jedoch durch starke Reduktionsmittel wie β-Mercaptoethanol gespalten (reduziert) werden.