Proteine: Aufbau, Funktionen und essentielle Aminosäuren

Konzept und Definition von Proteinen

Proteine sind Makromoleküle, definiert als Polymere, die durch die Verknüpfung kleinerer Einheiten, den Aminosäuren, über Peptidbindungen gebildet werden. Sie besitzen eine hohe molekulare Masse und sind die am häufigsten vorkommenden Verbindungen in lebender Materie. Ihre Spezifität wird durch die exprimierte genetische Information bestimmt.

Wichtige Funktionen von Proteinen

Proteine erfüllen vielfältige Aufgaben im Organismus, darunter:

• Transportfunktionen
• Speicherfunktionen (Backup)
• Bewegung
• Hormonelle Regulation
• Immunologische Abwehr
• Enzymatische Katalyse
• Homöostatische und strukturelle Funktionen

Aminosäuren: Die Bausteine der Proteine

Aminosäuren sind die strukturellen Untereinheiten der Proteine. Alle in Proteinen gefundenen Aminosäuren, mit Ausnahme von Prolin, besitzen zwei charakteristische funktionelle Gruppen:

• Die Carboxylgruppe (Säuregruppe, -COOH)
• Die Aminogruppe (-NH₂)

Die Kohlenstoffkette der Aminosäuren wird beginnend mit der Carboxylgruppe nummeriert (C1). Die Aminogruppe befindet sich immer am zweiten Kohlenstoffatom (C2), dem sogenannten Alpha-Kohlenstoff. Daher sind die Carboxylgruppe (C1) und die Aminogruppe (C2) durch den Rest (R) des Moleküls getrennt.

Der Rest (R) des Moleküls variiert stark. R kann ein einfaches Wasserstoffatom (H) sein, wie bei der Aminosäure Glycin, oder eine mehr oder weniger komplexe Kohlenstoffkette, die zusätzliche Amino- oder Carboxylgruppen sowie andere funktionelle Gruppen (wie Alkohol, Thiol usw.) enthalten kann.

Essentielle Aminosäuren

Die Proteine der Lebewesen basieren auf etwa 20 verschiedenen Aminosäuren. Die meisten dieser Aminosäuren können vom Organismus selbst synthetisiert werden. Andere, die sogenannten essentiellen Aminosäuren, können nicht synthetisiert werden und müssen über die Nahrung aufgenommen werden.

Essentielle Aminosäuren sind für jede Art unterschiedlich. Beim Menschen sind dies zum Beispiel zehn essentielle Aminosäuren:

Thr, Lys, Arg, His, Val, Leu, Ile, Met, Phe und Trp.

Klassifizierung von Aminosäuren nach der R-Gruppe

1. Apolare (Hydrophobe) Aminosäuren

Aminosäuren, deren Rest (R) nicht polar ist. Sie tragen keine elektrischen Ladungen und bestehen oft aus langen Kohlenwasserstoffketten. Wenn diese Aminosäuren in großer Menge in einem Protein vorhanden sind, ist das Protein tendenziell in Wasser unlöslich.

2. Saure (Polar geladene) Aminosäuren

Diese Gruppe umfasst Aminosäuren, die mehr als eine Carboxylgruppe besitzen. In Proteinen, bei neutralem oder basischem pH-Wert, sind diese Gruppen negativ geladen.

3. Basische (Polar geladene) Aminosäuren

Dies sind Aminosäuren, die eine oder mehrere zusätzliche Aminogruppen aufweisen. In Proteinen sind diese Aminogruppen bei saurem oder neutralem pH-Wert positiv geladen.

Die Peptidbindung

Die Peptidbindung entsteht durch die Reaktion der Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe einer zweiten Aminosäure. Diese Verknüpfung ist eine Kondensationsreaktion, bei der ein Amid gebildet und ein Wassermolekül freigesetzt wird. Die resultierende Substanz aus der Vereinigung zweier Aminosäuren wird als Dipeptid bezeichnet.