Proteine: Aufbau, Strukturebenen und Funktionen im Überblick

Was sind Proteine?

Protein: Ein Protein kann als eine Verbindung definiert werden, die aus einer Kohlenstoff-Aminosäure besteht, welche mit einer Aminogruppe (-NH2), einer Säuregruppe (-COOH), Wasserstoff und einer variablen Radikalgruppe verbunden ist.

Klassifizierung von Proteinen

Bewertung: Wenn das Protein ausschließlich aus Aminosäuren zusammengesetzt ist, wird es als Holoprotein bezeichnet. Falls es zusätzlich zu den Aminosäuren andere Arten von Molekülen aufweist, nennt man es Heteroprotein.

Eigenschaften von Aminosäuren

Aminosäuren sind organische Verbindungen, die durch eine Carboxylgruppe und eine Aminogruppe gekennzeichnet sind. Sie sind fest, kristallin, weisen einen hohen Schmelzpunkt auf und sind wasserlöslich. Zudem besitzen sie eine optische Aktivität und ein amphoteres chemisches Verhalten; je nach pH-Wert können sie als Säure, Base oder beides gleichzeitig ionisieren.

Die Peptidbindung

Peptidbindung: Peptide entstehen durch die Verknüpfung von Aminosäuren über eine Peptidbindung. Dies ist eine kovalente Bindung, die zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe der nächsten entsteht, was zur Abspaltung eines Wasser-Moleküls führt.

Die Ebenen der Proteinstruktur

Primärstruktur

Die Primärstruktur ist die Aminosäuresequenz des Proteins. Sie gibt an, welche Aminosäuren die Polypeptidkette bilden und in welcher Reihenfolge diese angeordnet sind.

Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur beschreibt die räumliche Anordnung der Aminosäuresequenz. Da die Aminosäuren während der Proteinsynthese gebunden bleiben und aufgrund ihrer Verbindung eine Drehbarkeit besitzen, nehmen sie eine stabile räumliche Anordnung ein. Es gibt drei Arten der Sekundärstruktur: die Alpha-Helix, die Kollagen-Helix und die Beta-Faltblatt-Konformation.

Tertiärstruktur

Die Tertiärstruktur umfasst die weitere Faltung der Sekundärstruktur eines Polypeptids, was zu einer kugelförmigen Konformation führt. Dies erleichtert die Löslichkeit in Wasser und Salzlösungen. Proteine, die keine Tertiärstruktur ausbilden, bleiben gestreckt und werden als faserige Proteine bezeichnet.

Quartärstruktur

Die Quartärstruktur beschreibt den Zusammenschluss mehrerer Polypeptidketten durch schwache Bindungen zu einem komplexen Proteinkomplex.

Das aktive Zentrum

Aktives Zentrum (Active-Site): Dies bezeichnet die Menge der Aminosäuren in einem Protein, deren Reste die Fähigkeit besitzen, an andere Moleküle zu binden und mit ihnen zu reagieren.

Wichtige Eigenschaften von Proteinen

• Löslichkeit: Globuläre Proteine bilden aufgrund ihrer Größe kolloidale Dispersionen. Durch die Bildung von Wasserstoffbrücken mit Wassermolekülen entsteht eine Hydrathülle, die verhindert, dass sich Proteine miteinander verbinden.
• Denaturierung: Bei Änderungen des pH-Werts, der Temperatur oder der Proteinkonzentration können Proteine funktionsunfähig werden. Sie verlieren dabei ihre Fähigkeit, die spezifische Funktion auszuführen, für die sie entwickelt wurden. Gelegentlich können sie ihre ursprüngliche Form zurückgewinnen, was als Renaturierung bezeichnet wird.
• Spezifität: In ihrer Aminosäuresequenz besitzen Proteine sowohl variable als auch stabile Bereiche. In stabilen Bereichen können Aminosäuren durch andere ersetzt werden, ohne die Funktion des Moleküls zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht jeder Spezies ihre spezifischen Proteine und erklärt Unterschiede zwischen Individuen derselben Art.
• Pufferkapazität: Proteine neigen dazu, pH-Wert-Änderungen des Mediums zu neutralisieren, da sie sich als Base oder Säure verhalten und somit Protonen abgeben oder aufnehmen können.

Beispiele für Proteine

• Kollagen: Vorkommen in Bindegewebe, Knorpelgewebe, Hautgewebe und Knochen.
• Alpha-Keratin: Vorkommen in Nägeln, Haaren, Federn und Wolle.
• Elastin: Vorkommen in Sehnen und Gefäßwänden.
• Beta-Keratin: Vorkommen in Seidenfäden.

Die vielfältigen Funktionen der Proteine

• Strukturfunktion: Bestandteil des Zytoskeletts, der Mikrotubuli, Wimpern und Geißeln sowie der mit der DNA assoziierten Histone.
• Transport: Transport von Substanzen im Körper, wie z. B. Hämoglobin, das Sauerstoff im Blut transportiert.
• Enzyme: Fördern chemische Reaktionen, die in den Körperzellen auftreten.
• Hormone: Wirken als Biokatalysatoren im gesamten Körper (z. B. das Wachstumshormon).
• Abwehr (Defense): Antikörper neutralisieren Fremdstoffe, die in den Körper gelangen.
• Kontraktile Funktion: Ermöglicht die Anspannung und Entspannung der Muskelfasern.
• Reserve: Speicherung von Nährstoffen.
• Homöostatische Funktion: Regulierung und Aufrechterhaltung des pH-Werts.