Proteine, Nukleinsäuren und Viren – Struktur und Funktionen

Funktionen von Proteinen

Funktionen:

• Struktur: Bestandteil von Zellen und Geweben; wichtig für Wachstum, Reparatur und Erhaltung.
• Kontraktile Funktion: Beteiligt an der Kontraktion von Muskelzellen. Hauptsächlich die kontraktilen Proteine Aktin und Myosin.
• Transport: Transportieren Stoffe von einem Ort zum anderen. Hämoglobin (Hb) transportiert O₂ und CO₂.
• Empfang: Beteiligt an der Erkennung von Reizen an der Zelloberfläche.
• Katalysatoren: Die meisten Enzyme sind Proteine. Sie regulieren die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, die Synthese neuer Moleküle, den Abbau von Molekülen während der Verdauung und verschiedene Stoffwechselvorgänge.
• Abwehr: Antikörper erkennen und greifen fremde Substanzen im Körper an.
• Hormone: Viele Hormone sind Proteine. Sie werden von einem Zelltyp produziert, um die Funktion anderer Zellen zu verändern, z. B. Schilddrüsenhormone (Stoffwechsel, Wachstum und Entwicklung) und Adrenalin.

Dreidimensionale Struktur von Proteinen

Aminosäuren sind miteinander verbunden und bilden Peptide. Die Aminogruppe einer Aminosäure reagiert mit der Carboxylgruppe einer anderen. Die Verbindung von zwei Aminosäuren bildet ein Dipeptid, drei ein Tripeptid usw. Diese Ketten müssen eine Masse von mehr als etwa 10.000 atomaren Masseneinheiten haben, um allgemein als Protein bezeichnet zu werden. Proteine weisen verschiedene Strukturebenen in Bezug auf das Polypeptid auf (Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur).

Nukleinsäuren: Aufbau und Bestandteile

Nukleinsäuren sind saure Makromoleküle. Es gibt zwei Haupttypen: DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). Sie bestehen aus Nukleotiden, die drei grundlegende Einheiten enthalten:

• Pentosen: Ribose in der RNA und Desoxyribose in der DNA.
• Phosphatgruppe: Die saure Gruppe macht das Molekül negativ geladen und verknüpft die Nukleotide über Phosphodiesterbindungen.
• Stickstoffbasen: Zyklische Verbindungen, die Stickstoff (und meist Sauerstoff und Kohlenstoff) enthalten. Adenin enthält kein Sauerstoffatom in seiner Struktur. Die Basen werden in zwei Gruppen eingeteilt: Purine (Adenin und Guanin) und Pyrimidine (Thymin, Cytosin und Uracil).

DNA: Aufbau und Funktion

Die DNA besteht aus den Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Sie liegt als Doppelhelix mit zwei Strängen vor. Die Basenpaarung folgt dem Komplementaritätsprinzip (Adenin–Thymin mit zwei Wasserstoffbrücken, Cytosin–Guanin mit drei Wasserstoffbrücken). Die Hauptaufgabe der DNA ist die Speicherung genetischer Informationen. Die Doppelhelix wird von Enzymkomplexen geöffnet, und jeder Strang dient als Vorlage (Matrize) für die Synthese eines neuen Strangs.

RNA: Aufbau und Funktion

Die RNA besteht aus Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil und ist in der Regel einzelsträngig. Die Nukleotide sind über Zucker-Phosphat-Rückgrate miteinander verbunden; diese Bindungen heißen Phosphodiesterbindungen. Die Hauptaufgabe der RNA ist es, als Vermittler zwischen DNA und Proteinsynthese zu fungieren. Sie überträgt die Information der DNA und ist an der Synthese der erforderlichen Proteine beteiligt.

Viren und genetische Information

Bei Viren ist die genetische Information in einer Abfolge von Nukleotiden in DNA oder RNA gespeichert. Diese Sequenz bildet die Gene; nach Watson und Crick bestimmt die Nukleotidfolge die Aminosäuresequenz von Polypeptiden und damit die Proteinsynthese.

Zentrales Dogma der Molekularbiologie

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie beschreibt die Richtung des Informationsflusses: DNA → RNA → Protein. Es erklärt, wie genetische Information in Proteine umgesetzt wird.

Viren als Ausnahmen des Dogmas

Viren sind keine Zellen; es wird diskutiert, ob sie lebendig sind, da sie sich nicht selbstständig vermehren können und eine Wirtszelle zur Replikation benötigen. Einige Viren können RNA-Informationen mittels Reverse Transkriptase in DNA umschreiben. Es gibt dafür mehrere Besonderheiten und Ausnahmen:

• Synthese von DNA aus RNA: Bei einigen Viren wird DNA aus RNA synthetisiert; dies geschieht durch das Enzym Reverse Transkriptase.

Prion-Proteine

Prion-Proteine sind abnormal gefaltete Formen eines normalen Proteins; sie besitzen keine Nukleinsäuren (kein Genom). Durch Fehlfaltung können sie benachbarte Proteine zur Fehlfaltung bringen und so degenerative Krankheiten verursachen.

Künstliche Proteinsynthese

Die "künstliche" Synthese von Proteinen kann in Zellkulturen oder in zellfreien (in vitro) Systemen erfolgen, wobei RNA als Vorlage dient und Ribosomen die Proteinsynthese katalysieren; hierfür werden spezifische Reaktionsbedingungen und ggf. Reagenzien eingesetzt.