Aminosäuren und Proteine
Von besonderem biochemischem Interesse sind die α-Aminosäuren. Zu diesem Typ gehören alle pro- teinogenen Aminosäuren.
Neben den nichtproteinogenen Aminosäuren sind bisher 400 andere Aminosäuren im Körper be- kannt, wie z.B.: der Neurotransmitter -Aminobuttersäure:
Die α-Aminosäuren sind, mit Ausnahme von Glycin, chiral, d.h. sie besitzen (mindestens) ein asymmet- risches Kohlenstoff-Atom. Es gibt also jeweils eine D- und L-Form (Enantiomere). Proteinogen sind nur die L-Aminosäuren.
Der Mensch nutzt neben den 20 kanonischen auch Selenocystein als proteinogene Aminosäure. Von den 20 kanonischen Aminosäuren werden 12 vom menschlichen Organismus beziehungsweise durch im menschlichen Verdauungstrakt lebende Mikroorganismen synthetisiert. Die restlichen 8 Aminosäu- ren sind für den Menschen essentiell, das heißt, er muss sie über die Nahrung aufnehmen.
Die 20 kanonischen Aminosäuren
Name Abk. Symbol Acylgruppe essentiell in Proteinen
Alanin Ala A Alanyl- nein 9,0%
Arginin Arg R Arginyl- semi 4,7%
Asparagin Asn N Asparaginyl- nein 4,4%
Asparaginsäure Asp D α-Aspartyl- nein 5,5%
Cystein Cys C Cysteinyl- nein* 2,8%
Glutamin Gln Q Glutaminyl- nein 3,9%
Glutaminsäure Glu E α-Glutamyl- nein 6,2%
Glycin Gly G Glycyl- nein 7,5%
Histidin His H Histidyl- semi 2,1%
Isoleucin Ile I Isoleucyl- ja 4,6%
Leucin Leu L Leucyl- ja 7,5%
Lysin Lys K Lysyl- ja 7,0%
Methionin Met M Methionyl- ja 1,7%
Phenylalanin Phe F Phenylalanyl- ja 3,5%
Prolin Pro P Prolyl- nein 4,6%
Serin Ser S Seryl- nein 7,1%
Threonin Thr T Threonyl- ja 6,0%
Tryptophan Trp W Tryptophyl- ja 1,1%
Tyrosin Tyr Y Tyrosyl- nein* 3,5%
Valin Val V Valyl- ja 6,9%
* Für Kinder und Schwangere essentiell.
Zu den essentiellen Aminosäuren gehören die verzweigtkettigen (Valin, Leucin, Isoleucin, Threonin) und die aromatischen Aminosäuren (Phenylalanin, Tryptophan). Außerdem sind die Aminosäuren Methionin und Lysin essentiell, für Kleinkinder zusätzlich Histidin. Es gibt einige angeborene Stoff- wechselstörungen, bei denen Enzyme, die zur Synthese bestimmter Aminosäuren benötigt werden, ausfallen. Bekanntestes Beispiel ist die Phenylketonurie. Bei dieser Krankheit kann Phenylalanin nicht in Tyrosin umgewandelt werden, Tyrosin ist für diese Menschen eine essentielle Aminosäure.
Man unterscheidet 20 natürliche Aminosäuren, welche nach der Polarität ihrer Seitenketten (-R) klas- sifiziert werden.
Dissoziation von Aminosäuren
K Z A
Wird eine Aminosäure in Wasser gelöst, liegt sie hauptsächlich in der zwitterionischen Form (Z) vor.
Diese steht im Gleichgewicht mit der kationischen (K) und der anionischen Form (A) der Aminosäure.
Gibt man zu dieser Lösung Säure (H+), wird das Gleichgewicht zur kationischen Form K verschoben. Bei Zugabe von Basen werden die aus der Aminosäure freigesetzten Protonen durch OH−-Ionen neutrali- siert und das Gleichgewicht auf die Seite von A verschoben.
Die Lage des Gleichgewichts kann durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben werden:
Gleichung 1: K ⇌ Z + H+ Gleichung 2: Z ⇌ A + H+ K1=[Zwitterion]∙[H+]
[Kation] [H+] = K1∙ [Kation]
[Zwitterion] pH = pK1+ log[Zwitterion]
[Kation]
K2 =[Anion]∙[H+]
[Zwitterion] [H+] = K2∙[Zwitterion]
[Anion] pH = pK2+ log [Anion]
[Zwitterion]
Bei einem bestimmten pH-Wert verhält sich die Aminosäure nach außen neutral. Diesen pH-Wert nennt man isoelektrischen Punkt (pHIP). Am isoelektrischen Punkt liegt die Aminosäure weitgehend als Zwitterion vor und die Konzentrationen von Kationen und Anionen sind gleich groß ([K] = [A]).
Diese Überlegung lässt sich auch auf Peptide (und Proteine) übertragen. Bei Peptiden können außer der terminalen COOH- und NH2-Gruppe auch Carboxy- und Amino-Gruppen der Aminosäure-Seiten- ketten dissoziieren. Die Peptide weisen an den zugehörigen pKA-Werten Pufferwirkung auf. Auch für jedes Peptid (und Protein) gibt es genau einen pH-Wert, an dem es ungeladen vorliegt, jedes Peptid und Protein hat einen isoelektrischen Punkt!
Glycin Serin Der pHIP kann auch als arithmetisches Mittel der pKA- Werte berechnet werden:
pKIP=1
2∙ (pKCOOH+ pKNH
3+)
R = -H R = -CH2OH
pKCOOH= 2,34 pKCOOH= 2,21 pKNH3+= 9,60 pKNH3+= 9,15 pKIP= 5,97 pKIP= 5,68
Aminosäuren können über den Prozess der Transaminierung ineinander umgewandelt werden. Vo- raussetzung dafür ist, dass die entsprechende α-Ketosäure vom Organismus synthetisiert werden kann. Dies ist nur bei 11 der 20 proteinogenen Aminosäuren der Fall. Tyrosin kann durch Modifika- tion der Seitenkette (Hydroxylierung des Phenyl-Restes) aus Phenylalanin hergestellt werden. Die üb- rigen acht Aminosäuren müssen dem Organismus zugeführt werden, man nennt sie essentielle Ami- nosäuren.
Proteine
Primärstruktur (Aminosäuresequenz)
Für die Angabe der Primärstruktur von Proteinen und Nukleinsäuren existieren vereinbarte Konven- tionen:
• Die Aminosäuresequenz von Proteinen wird vom aminoterminalen Ende (N-Terminus) zum carboxyterminalen Ende (C-Terminus) geschrieben.
• Die Nukleotidsequenz von Nukleinsäuren (DNA, RNA) wird vom 5'-Phosphat-Ende zum 3'- Hydroxy-Ende geschrieben.
Als "genetischer Code" werden die Regeln bezeichnet, aufgrund derer die DNA-Sequenz (d.h. die Ab- folge der Basen in der DNA) in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Eine bestimmte Abfolge von drei DNA-Basen kodiert für eine bestimmte Aminosäure. Aminosäuren sind die Bausteine der Prote- ine. Somit kann aus einem DNA-Abschnitt (einem Gen) der Bauplan eines Proteins abgelesen und umgesetzt werden. Der genetische Code ist universell und gilt für alle Lebewesen.
Von der DNA-Sequenz...
Als DNA-Sequenz wird die Abfolge der Basen in einem DNA-Strang bezeichnet. Die Basen der DNA sind Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Eine DNA-Sequenz könnte zum Beispiel so aussehen:
...ATG CGC AAT GCG ATA TAC...
Die DNA besteht aus zwei Strängen. Das heißt, diese Sequenz müsste eigentlich so aussehen:
...ATG CGC AAT GCG ATA TAC...
...TAC GCG TTA CGC TAT ATG...
Für den genetischen Code ist aber nur der eine Strang relevant und nur der wird abgelesen und über- setzt. In unserem Fall wäre es der Strang ...ATG CGC AAT GCG ATA TAC.... Die Zelle erkennt anhand bestimmter Merkmale welchen Strang sie als Vorlage benutzen soll. Es erfolgt nun eine Transkription der DNA zu mRNA und die Translation der mRNA zu einem Protein.
Um den Code anzuwenden, ist wichtig zu wissen, dass bei der Transkription T zu U wird. Unsere Se- quenz würde also nach der Transkription so aussehen:
...AUG CGC AAU GCG AUA UAC...
...zur Aminosäuresequenz
Je drei im DNA- oder RNA-Strang aufeinanderfolgende Basen werden als Codon oder Basentriplett be- zeichnet. Im oberen Beispiel wären ATG/AUG, CGC, AAT/AAU, usw. einzelne Codons oder Basen- tripletts. Ein Gen besteht aus vielen dieser Codons.
Ein Codon kodiert für:
• den Beginn eines Gens oder
• das Ende eines Gens oder
• eine der 20 Aminosäuren, aus denen die Zelle Proteine bauen kann
Der genetische Code kann wie unten abgebildet dargestellt werden. Um herauszufinden, wofür das Codon "AUG" steht, musst du den drei Buch- staben von innen nach außen folgen. Man fängt beim innersten Kreis mit A an. Im mittleren Kreis folgt das U, und im äußeren dann das G. Außer- halb des letzten Kreises steht in diesem Fall
"Met", was die Abkürzung für die Aminosäure
"Methionin“ ist und in Klammern „M“, auch für Methionin.
Diese genetische Code-Sonne erlaubt es uns recht einfach eine DNA- oder RNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz zu übersetzen. Die Aminosäuresequenz in unserem Beispiel wäre:
...MRNAIY…
Aufgabe:
Zeichne folgendes Peptid: CCA CGU AUA AUG GCA GGU GAG AUG GCU UGC CAC ACA Sekundärstruktur:
Diese Strukturen ergeben sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Peptidbindungen des Polypeptid-Rückgrates.
α-Helix
Der N-Terminus befindet sich unten, die Peptid- kette windet sich also nach oben, die Seitenket- ten richten sich nach außen. Die Helixstruktur wird durch Wasserstoff-Brücken zwischen CO der Aminosäure n und NH der Aminosäure n+4 stabilisiert.
β-Faltblatt
Aufgrund der Seitenketten sind β-Faltblätter nicht flach, sondern ziehharmonikaähnlich geriffelt. Die Polypep- tidketten eines Faltblattes werden als β-Stränge be- zeichnet. Diese Stränge können auf unterschiedliche Weise miteinander verknüpft sein:
• antiparallel
• parallele
• gemischt
β-Schleifen
β-Schleifen bestehen aus vier Aminosäuren, wobei sich zwischen der Carbonylfunktion der ersten und Aminofunktion der vierten (bzw. der n- und (n+3)-) Aminosäure eine Wasserstoffbrückenbin- dung ausbildet. Diese Art der Verknüpfung wird deshalb auch als 4→1 geschrieben.
β-Helix
Random Coil Tertiärstruktur
Die Tertiärstruktur ist die der Sekundärstruktur übergeordnete räumliche Anordnung der Polypep- tidkette. Sie wird von den Kräften und Bindungen zwischen den Resten (d. h. den Seitenketten) der Aminosäuren bestimmt.
• Disulfidbrücken, (kovalente Bindungen zwischen den Schwefelatomen zweier Cysteinreste)
• Wasserstoffbrückenbindungen
• London Kräfte
• Dipol Dipol WW
• Ion-Ion WW Quartärstruktur
Viele Proteine müssen sich, um funktionsfähig sein zu können, zu einem Proteinkomplex zusammen- lagern, der so genannten Quartärstruktur. Dies kann entweder eine Zusammenlagerung von unter- schiedlichen Proteinen sein oder ein Verband aus zwei oder mehr Polypeptidketten.
Die einzelnen Untereinheiten eines solchen Komplexes werden als Protomere bezeichnet.
Klassifizierung von Proteinen
Man kann Proteine nach der äußeren Form in zwei Hauptgruppen einteilen:
- die globulären Proteine, deren Tertiär- oder Quartärstruktur annähernd kugel- oder birnen- förmig aussieht und die meist in Wasser oder Salzlösungen gut löslich sind.
- die fibrillären Proteine, die eine fadenförmige oder faserige Struktur besitzen, meist unlöslich sind und zu den Stütz- und Gerüstsubstanzen gehören (beispielsweise die Keratine in den Haaren und Fingernägeln, Kollagen, Aktin und Myosin für die Muskelkontraktion).
