Proteine, Aminosäuren, Enzyme und Nukleinsäuren

1.3 Proteine

Proteine sind organische Verbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und in geringerem Maße Schwefel. Sie sind Polymere, die aus kleineren Einheiten, den Aminosäuren, aufgebaut sind. Die Aminosäuren sind durch Peptidbindungen miteinander verknüpft. Verbindungen aus 1 bis 12 Aminosäuren werden als Oligopeptide, aus 12-100 als Polypeptide und ab 100 Aminosäuren als Proteine bezeichnet. Ab einem Molekulargewicht von 5000 g/mol spricht man von Proteinen.

Biologische Bedeutung von Proteinen

Proteine sind die am häufigsten vorkommenden organischen Verbindungen in Zellen. Ihre Bedeutung liegt in der enormen Vielfalt an Funktionen, die sie ausüben:

• Enzymatisch: Enzyme sind Proteine, die den Stoffwechsel der Zelle regulieren, indem sie die Geschwindigkeit von Reaktionen erhöhen.
• Hormonell: Einige Proteine wirken als Hormone und regulieren verschiedene Körperfunktionen.
• Immunologisch: Proteine spielen eine wichtige Rolle im Immunsystem und schützen den Organismus vor Krankheitserregern.
• Transport: Hämoglobin transportiert Sauerstoff im Blut.
• Struktur: Glykoproteine sind Bestandteil von Zellmembranen.
• Homöostase: Intrazelluläre Proteine tragen zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts bei.
• Kontraktil: Aktin und Myosin bilden die Myofibrillen der Muskeln und sind für die Muskelkontraktion verantwortlich.

Aminosäuren

Aminosäuren sind die Bausteine der Polypeptidketten. Sie besitzen eine Aminogruppe und eine Carboxylgruppe, die an ein Kohlenstoffatom gebunden sind. An dieses C-Atom ist außerdem ein Wasserstoffatom und eine Seitenkette (R) gebunden, die die einzelnen Aminosäuren voneinander unterscheidet.

Klassifizierung der Aminosäuren

• Saure Aminosäuren: Negative Ladung bei pH 7 (Asparaginsäure und Glutaminsäure)
• Basische Aminosäuren: Positive Ladung bei pH 7 (Lysin und Arginin)
• Aminosäuren mit unpolarer R-Gruppe: Ungeladen bei pH 7; die hydrophobe R-Gruppe interagiert mit anderen hydrophoben Gruppen (Alanin und Valin)
• Aminosäuren mit ungeladener polarer R-Gruppe: Ungeladen bei pH 7; die polare R-Gruppe kann Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen polaren Gruppen bilden (Glycin und Serin)

Eigenschaften der Aminosäuren

• Räumliche Isomerie: Hängt von der Anzahl der asymmetrischen Kohlenstoffatome ab.
• Optische Isomerie: Fast alle Aminosäuren haben ein asymmetrisches C-Atom, wodurch sie die Ebene des polarisierten Lichts drehen können.
• Säure-Base-Eigenschaften: Aminosäuren können in biologischen Medien als Säure oder Base wirken.

Peptidbindung

Die Peptidbindung verknüpft Aminosäuren zu Peptiden und Proteinen. Sie entsteht zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe der nächsten Aminosäure unter Abspaltung eines Wassermoleküls. Das entstehende Molekül ist ein Dipeptid. Diese Bindung ist sehr stark und hat einen Doppelbindungscharakter. Sie hält den Abstand zwischen den Atomen konstant.

1.4 Enzyme

Konzept der Biokatalyse

Ein Katalysator ist ein Stoff, der chemische Reaktionen beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Biokatalysatoren regulieren und koordinieren die Funktionen von Lebewesen. Es gibt drei Arten von Biokatalysatoren:

• Enzyme
• Vitamine
• Hormone

1.4 Nukleinsäuren

Konzept und biologische Bedeutung

Nukleinsäuren sind Biopolymere, die aus Nukleotiden aufgebaut sind. Nukleotide bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor. Diese Moleküle sind riesige, unverzweigte, fadenförmige Strukturen, die die notwendigen Informationen für das Leben enthalten und detaillierte Anweisungen für dessen Ablauf bereitstellen.

Nukleotide

Nukleotide entstehen aus der Verbindung eines Nukleosids mit Phosphorsäure. Nukleoside wiederum werden aus einem Zucker und einer Stickstoffbase gebildet, die über eine N-glykosidische Bindung miteinander verknüpft sind. Bei dieser Verbindung wird ein Wassermolekül freigesetzt. Der Zucker kann Ribose oder Desoxyribose sein. Die Stickstoffbasen sind:

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