Proteine, Aminosäuren und Nukleinsäuren: Eine Übersicht

Proteine: Die Bausteine der Zelle

Proteine sind die am häufigsten vorkommenden und wichtigsten organischen Moleküle in den Zellen und machen 50 % oder mehr ihres Trockengewichts aus. Sie sind in allen Teilen aller Zellen zu finden, da sie in allen Aspekten der zellulären Struktur und Funktion von grundlegender Bedeutung sind. Es gibt viele verschiedene Arten von Proteinen, die jeweils auf eine andere biologische Funktion spezialisiert sind. Außerdem wird der größte Teil der genetischen Information durch Proteine zum Ausdruck gebracht.

Sie gehören zur Klasse der Peptide und bestehen aus Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Eine Peptidbindung ist die Vereinigung der Aminogruppe (-NH2) einer Aminosäure mit der Carboxylgruppe (-COOH) einer anderen Aminosäure durch die Bildung eines Amids. Proteine sind die grundlegenden Bestandteile des Lebens; ihr Name leitet sich vom griechischen Wort "proteios" ab, was "erster" bedeutet. Bei Tieren machen Proteine etwa 80 % des Gewichts der entwässerten Muskeln, etwa 70 % der Haut und 90 % des getrockneten Blutes aus. Auch in Pflanzen sind Proteine vorhanden.

Die Bedeutung der Proteine steht jedoch mehr im Zusammenhang mit ihren Aufgaben im Körper als mit ihrer reinen Menge. Alle bekannten Enzyme zum Beispiel sind Proteine, obwohl Enzyme oft nur in sehr kleinen Mengen vorkommen. Doch diese Stoffe katalysieren alle metabolischen Reaktionen und ermöglichen es dem Organismus, andere Moleküle zu bauen – Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate und Lipide –, die für das Leben notwendig sind.

Zusammensetzung

Alle Proteine enthalten Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, und fast alle enthalten Schwefel. Einige Proteine enthalten zusätzliche Elemente, vor allem Phosphor, Eisen, Zink und Kupfer. Das Molekulargewicht ist extrem hoch. Alle Proteine sind, unabhängig von ihrer Funktion oder Herkunft, aus einem Basissatz von zwanzig Aminosäuren aufgebaut, die in mehreren spezifischen Sequenzen angeordnet sind.

Funktionen der Proteine

Sie erfüllen unterschiedliche Funktionen, wie zum Beispiel:

• Katalysatoren (Enzyme)
• Konstruktionselemente (Kollagen) und kontraktile Systeme
• Lagerung (Ferritin)
• Transportfahrzeuge (Hämoglobin)
• Hormone
• Anti-infektiöse Stoffe (Immunglobuline)
• Enzymatische Funktionen (Lipasen)
• Ernährung (Kasein)
• Schutzmittel

Da Proteine eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle ausführen, können sie in zwei große Gruppen unterteilt werden:

• Dynamisch: Transport, Verbrauch, Katalyse von Reaktionen, Kontrolle des Stoffwechsels und Kontraktion.
• Strukturell: Proteine wie Kollagen und Elastin fördern die strukturelle Unterstützung von Zellen und Geweben.

Einstufung der Proteine

Nach der Zusammensetzung:

• Einfache Proteine: Setzen bei der Hydrolyse nur Aminosäuren frei.
• Konjugierte Proteine: Setzen bei der Hydrolyse neben Aminosäuren auch einen Nicht-Peptid-Rest frei, die sogenannte prosthetische Gruppe (z. B. Metalloproteine, Hämoproteine, Lipoproteine, Glykoproteine etc.).

Nach der Zahl der Polypeptidketten:

• Monomere Proteine: Bestehen aus nur einer Polypeptidkette.
• Oligomere Proteine: Bestehen aus mehr als einer Polypeptidkette; ihre Struktur und Funktion sind komplexer.

Nach der Form:

• Faserproteine: Die meisten faserigen Proteine sind in wässrigen Lösungsmitteln unlöslich und haben sehr hohe Molekulargewichte. Sie bestehen in der Regel aus langen Molekülen, die mehr oder weniger geradlinig und parallel zur Faserachse angeordnet sind. In diese Kategorie fallen Strukturproteine wie Kollagen des Bindegewebes, Keratin der Haare, Sklerotin in der Samenschale von Arthropoden, Conchiolin in den Schalen von Weichtieren oder Fibrin im Blutserum sowie Myosin im Muskel. Einige faserige Proteine haben jedoch eine andere Struktur, wie Tubuline, die aus mehreren kugelförmigen Untereinheiten spiralförmig angeordnet sind.
• Globuläre Proteine: Besitzen eine komplexere räumliche Struktur, die mehr oder weniger kugelförmig ist. Sie sind in der Regel in wässrigen Lösungsmitteln löslich, und ihr Molekulargewicht liegt zwischen 10.000 und mehreren Millionen. In dieser Kategorie finden wir aktive Proteine wie Enzyme oder Transporter wie Hämoglobin.

Aminosäuren: Die Bausteine des Körpers

Aminosäuren sind die Bausteine des Körpers. Neben dem Aufbau von Zellen und Gewebe bilden sie Antikörper zur Bekämpfung von Bakterien und Viren. Sie sind Teil des Enzym- und Hormonsystems, bauen Nukleoproteine (DNA und RNA) auf, transportieren Sauerstoff im ganzen Körper und nehmen an den Aktivitäten der Muskeln teil.

Wenn Proteine durch die Verdauung unterteilt (getrennt oder gespalten) werden, ist das Ergebnis eine Gruppe von 22 bekannten Aminosäuren. Acht Aminosäuren sind essentiell (können vom Körper nicht selbst hergestellt werden), der Rest ist nicht-essentiell (kann vom Körper bei richtiger Ernährung produziert werden).

Aminosäuren sind organische Moleküle, die aus Atomen von Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) gebildet werden. Manche enthalten auch Schwefel. Diese Verbindungen sind wie folgt aufgebaut:

Alle Aminosäure-Moleküle enthalten eine Carboxylgruppe (-COOH), eine Amingruppe (-NH2) und ein Wasserstoffatom (H), die an ein Kohlenstoffatom, das sogenannte Alpha-Kohlenstoffatom, gebunden sind. An demselben Kohlenstoff ist auch ein Rest gebunden, allgemein als R bezeichnet. Dieser Rest variiert je nach Aminosäure; jede der 20 vorhandenen Aminosäuren enthält ihren eigenen Rest, der von einem einzelnen Wasserstoffatom (H) wie bei Glycin bis hin zu komplexen Gruppen reichen kann. Aminosäuren sind über Peptidbindungen zusammengeschlossen, um Proteine zu bilden. Damit Zellen Proteine produzieren können, benötigen sie Aminosäuren, die über die Nahrung zugeführt oder vom Körper selbst produziert werden.

Natürliche (nicht-essentielle) Aminosäuren

Diese werden vom Körper selbst produziert. Der tierische Organismus ist in der Lage, 12 der 20 in der Natur vorkommenden Aminosäuren zu produzieren. Pflanzen hingegen können alle 20 Aminosäuren selbst herstellen.

Essentielle Aminosäuren

Dies sind Aminosäuren, die Tiere nicht selbst produzieren können, die aber für die Herstellung von Proteinen erforderlich sind. Daher müssen sie über die Nahrung aufgenommen werden.

Nicht alle Lebensmittel enthalten alle Aminosäuren, daher sollte das Angebot diversifiziert werden. Lebensmittel tierischen Ursprungs wie Fleisch, Eier, Milch und Käse sind reich an essentiellen Aminosäuren. Pflanzen enthalten oft nicht alle essentiellen Aminosäuren gleichzeitig, weshalb eine vegetarische Ernährung gut kombiniert sein muss.

Peptide

Peptide sind Verbindungen oder Moleküle, die durch die Vereinigung von Aminosäuren entstehen. Die Kombination erfolgt zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer anderen, wobei stets ein Wassermolekül freigesetzt wird. Dieser Mechanismus wird als Peptidbindung bezeichnet.

Peptide werden nach der Anzahl der Aminosäuren eingeteilt:

• Zwei Aminosäuren: Dipeptid
• Drei Aminosäuren: Tripeptid
• Vier Aminosäuren: Tetrapeptid

Zudem unterscheidet man Oligopeptide (zwei bis zehn Aminosäuren) und Polypeptide (elf oder mehr Aminosäuren).

Enzyme

Enzyme sind komplexe Proteine (oder Heteroproteine), die als Katalysatoren in biologischen Prozessen wirken. Reaktionen in lebenden Organismen werden durch Enzyme katalysiert. Man unterscheidet intrazelluläre Enzyme (Endoenzyme) und extrazelluläre Enzyme (Exoenzyme), die außerhalb der Zelle arbeiten. Sie können durch Hitze (über 70 °C), starke Bewegung, UV-Strahlung, Ultraschall sowie durch Substanzen wie Cyanid, Fluorid, Schwermetalle, Säuren und Basen zerstört werden.

Die gängigste Theorie besagt, dass das Enzym und das Substrat eine Zwischenverbindung bilden (Schloss-Schlüssel-Modell). Enzyme sind hochspezifisch. Die Benennung erfolgt meist nach dem Substrat mit der Endung -ase (z. B. Urease für Harnstoff oder Maltase für Maltose).

Nukleinsäuren

Allgemeine Konzepte

Nukleinsäuren sind Moleküle zur Speicherung und Expression genetischer Information. Es gibt zwei Arten:

• Desoxyribonukleinsäure (DNA)
• Ribonukleinsäure (RNA)

Nukleinsäuren sind Makromoleküle, die aus verschiedenen Nukleotiden bestehen, welche über Phosphodiesterbindungen verknüpft sind.

Nukleotide

Nukleotide sind die Grundeinheiten der Nukleinsäuren. Sie bilden lange Ketten. Neben ihrer Strukturfunktion wirken sie als Coenzyme im Stoffwechsel und als chemische Energiequelle (z. B. ATP) sowie als Aktivatoren oder Inhibitoren in Stoffwechselwegen.

Struktur der Nukleotide

Ein Nukleotid besteht aus:

• Einer Pentose (Zucker)
• Einer Stickstoffbase
• Einem oder mehreren Phosphatresten

Es gibt fünf Stickstoffbasen in zwei Familien:

• Purine: Adenin (A) und Guanin (G)
• Pyrimidine: Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U)

DNA und RNA enthalten A, G und C. Thymin kommt nur in der DNA vor, während es in der RNA durch Uracil ersetzt wird.

Pentosen und Phosphate

Die Verbindung einer Pentose mit einer Base ergibt ein Nukleosid (Adenosin, Cytidin, Guanosin, Thymidin, Uridin). Bei Ribose spricht man von Ribonukleosiden (RNA), bei Desoxyribose von Desoxyribonukleosiden (DNA). Die Zugabe von Phosphatgruppen führt zum Nukleotid. Phosphate sind für die negative Ladung der Nukleinsäuren verantwortlich.

DNA (Desoxyribonukleinsäure)

Die DNA befindet sich im Kern eukaryotischer Zellen sowie in Mitochondrien und Chloroplasten. In prokaryotischen Zellen liegt sie im Cytosol vor. Sie leitet die Entwicklung des Körpers und verdoppelt sich bei jeder Zellteilung.

Struktur der DNA

Die DNA ist ein Polydesoxyribonukleotid aus Tausenden von Nukleotiden, die über 3', 5'-Phosphodiesterbindungen verknüpft sind. Das Molekül bildet eine Doppelhelix aus zwei antiparallelen Strängen. Die Bindung erfolgt zwischen dem Phosphat am C5 der Pentose und der Hydroxylgruppe am C3 des nächsten Nukleotids. Die Sequenz wird konventionell von 5' nach 3' beschrieben. Enzyme, die diese Bindungen lösen, heißen Nukleasen (Endonukleasen und Exonukleasen).

Die Doppelhelix

Beschrieben von Watson und Crick, winden sich die Stränge um eine gemeinsame Achse. Das hydrophile Phosphatskelett liegt außen, die hydrophoben Basen innen. Es besteht eine spezifische Paarung:

• Adenin mit Thymin (2 Wasserstoffbrücken)
• Cytosin mit Guanin (3 Wasserstoffbrücken)

Es gibt drei Formen der DNA: Die häufige B-Form, die kompaktere A-Form und die linksgängige Z-Form. Der Übergang zwischen diesen Formen spielt eine Rolle bei der Genregulation.

RNA (Ribonukleinsäure)

Die RNA dient als "Arbeitskopie" der DNA zur Expression genetischer Information. Der Prozess der Herstellung heißt Transkription. Unterschiede zur DNA:

• Uracil statt Thymin.
• Ribose statt Desoxyribose.
• Meist einsträngig und viel kleiner als DNA.

Arten der RNA

• Ribosomale RNA (rRNA): Bildet mit Proteinen die Ribosomen (80 % der Zell-RNA).
• Transfer-RNA (tRNA): Bindet spezifisch Aminosäuren und positioniert sie gemäß dem genetischen Code (15 % der Zell-RNA).
• Messenger-RNA (mRNA): Überträgt die Information vom Kern ins Cytosol für die Proteinbiosynthese (5 % der Zell-RNA).

Organisation des eukaryotischen Erbmaterials

Die DNA einer Zelle ist etwa 1 Meter lang. Um in den Kern zu passen, interagiert sie mit Proteinen, insbesondere Histonen. Histone sind basische Proteine (reich an Lysin und Arginin), deren positive Ladung die negative Ladung der DNA stabilisiert. Es gibt fünf Klassen: H1, H2A, H2B, H3 und H4.

Nukleosomen

Nukleosomen sind die Bausteine der Chromosomen. Sie bestehen aus einem Oktamer aus acht Histon-Molekülen, um das sich die DNA etwa zweimal wickelt. Diese Einheiten sind durch Linker-DNA verbunden. Durch weitere Verdichtung entstehen schließlich die Chromosomen. Das Histon H1 hilft bei der weiteren Kompaktierung der Struktur.