Proteine / Enzyme

Bedeutung der Proteine:
  1. Transportproteine   z.B. Hämoglobin

  2.  Hormone                  z.B. Insulin, Hypophysenhormone

  3. Antikörper ( Immunglobuline )

  4. Strukturproteine      z.B. Muskelprotein, Haut ,Sehnen

  5. Membranproteine     z.B. Tunnelprotein, Rezeptoren

  6. Speicherproteine      z.B. Milcheiweiß

  7. Enzyme                        z.B. Azetylcholinesterase

  8. Toxine                             z.B. Bienengift, Schlangengifte

Die Bausteine der Proteinmoleküle: Aminosäuren


allgemeine Formel einer Aminosäure:

Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren in biologischen Proteinen, d. h. 20 chemisch verschiedene R(este).  7 davon sind essentiell, d. h. sie können nicht vom Menschen hergestellt werden,à sie müssen in der Nahrung enthalten sein.  
Die Reste können polar (=hydrophil) sein oder unpolar (=lipophil). Dies ist wichtig für die Funktion des Proteinmoleküls in der Zelle z.B. die räumliche Form, die Verankerung in Biomembranen, die Affinität zu anderen chemischen Wirkstoffen (Schlüssel-Schloss-Prinzip) usw.

Die Peptidbindung:
Unter Abspaltung von Wasser können sich 2 Aminosäuren verbinden. Dabei reagiert die Carboxylgruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe der anderen Aminosäure zu einem Dipeptid. Der Bindungstyp heißt Peptidbindung. Durch Reaktion mit weiteren Aminosäuren entstehen immer längere Ketten (Tripeptide, .....Polypeptide....ab 100: Proteine)

(für Chemiker: Freie Elektronenpaare am O-und N-Atom sind weggelassen worden)

Beachte:
Das Dipeptid Gly-Ala und das Dipeptid Ala-Gly sind nicht identisch! Da jede Peptidkette einen Amino-"Anfang" und ein Carboxyl-"Ende" hat, gibt es bei einem Tripeptid bereits 23=8 Möglichkeiten.
(Benutzte Zahl der versch. Aminosäuren "hoch" Kettenlänge)
Aufbau der Proteinmoleküle
Proteinmoleküle sind Riesenmoleküle aus unverzweigten Aminosäureketten. Sie falten sich zu übergeordneten Raumstrukturen (= Konformation ).
a) Primärstruktur : Def: Die Abfolge der Aminosäuren in der Kette = Aminosäuresequenz 
Bindungstyp : Peptidbindung

b) Sekundärstruktur : Die Polypeptidkette liegt nicht gestreckt vor, sondern entweder in Schraubenform = ( a- Helix ) oder als sog. b- Faltblattstruktur .

Bindungskräfte : Wasserstoffbrückenbindung = "H–Brücken" (In der 
b- Faltblattstruktur werden mehrere nebeneinander liegende Polypeptidketten durch H–Brücken zusammengehalten. )

Def.  H-Brücke: elektrostatische Anziehungskräfte zwischen positiv polarisierten H-Atomen und negativ polarisierten Atomen mit freien Elektronenpaaren (O, N, )

c) Tertiärstruktur : 

Die schraubenförmigen Polypeptidketten liegen ihrerseits in einer übergeordneten Raumstruktur gefaltet und „geknäuelt“ vor. Diese Konformation ist abhängig von der Primärstruktur. Je nachdem, welche Aminosäuren an bestimmten Kettenpositionen liegen, kommt es zwischen den Aminosäureresten (R) zu verschiedenen chemisch- physikalischen Anziehungskräften.
 

Bindungskräfte : 
  • H – Brücken (1) (Dipol-Anziehung/ polare Reste)
  • Ionenbindungen (2) (elektrisch geladene Reste durch zusätzliche Säuregruppe (-) oder Aminogruppe (+).)
  • Van-der-Waals – Kräfte (3) (unpolare Reste)
  • Disulfid – Bindung (4) "Schwefelbrücke"
    (echte Bindung d.h. stärkste Bindungskraft, die die Raumstruktur stabilisiert.

    à
      hitzebeständige Proteine zeigen einen hohen Cystein-Gehalt!

In dieser Raumstruktur sind Proteine biologisch wirksam als Hormone, Enzyme, Antikörper, etc. Sie falten sich je nach Aminosäuresequenz selbständig zu ihrer spezifischen  Raumstruktur auf.

Beispiel: Insulin (Hormon der Bauchspeicheldrüse)

d) Quartärstruktur: Mehrere Polypeptidketten in Tertiärstruktur können sich zusammenschließen, um eine besondere biologische Funktion zu erfüllen, z.B. Hämoglobin: vier Polypeptidketten bilden zusammen ein Transportmolekül für Sauerstoff (roter Blutfarbstoff in den Erythrozyten)
Nachtrag 1: 
Problem:
Proteine werden an den Ribosomen hergestellt. Ihr Wirkungsort ist aber an den verschiedensten Stellen innerhalb bzw. außerhalb der Zellen. Woher "weiß" das Proteinmolekül, wohin es soll? Wie erkennt das Protein seinen Zielort z.B. "sein" Zellorganell? Wie gelangt es in das von Membran(en) umgebene Zellorganell hinein? > Signal-Hypothese
Der Nobelpreisträger (1999) Günter Blobel hat entdeckt, dass neu synthetisierte Proteinmoleküle zusätzlich mit einer "Adresse" versehen werden, damit sie in der Zelle den Ort finden, wo sie ihre biologische Wirkung entfalten sollen. Proteine besitzen also so etwas wie "Postleitzahlen" um sie auf den richtigen Weg zu bringen. Dies geschieht dadurch, dass am Molekülende eine spezielle Signalsequenz von 10 bis 30 Aminosäuren angehängt wird. Dieses Signalpeptid ist dafür zuständig, dass das Protein gezielt durch die Membranen von Zellorganellen oder an eine bestimmte Stelle in der Zelle transportiert wird. 
Die kurze Peptidkette wirkt als "Schlüssel", die ihr "Schloss" in Form von spezifischen Rezeptoren auf der Membran des "Adressaten" findet. Nachdem das Protein so auf der Membran "seines" Zellorganells angedockt hat, wird eine Reaktionskette in Gang gesetzt, in deren Verlauf das Protein durch die Membran geschleust wird.
Man nimmt an, dass dieses Prinzip universal ist, d.h. dass es für alle Zellen gilt. Fehler bei der "Zustellung" könnten die Ursache von Krankheiten wie z.B. Mukoviszidose sein.
Nachtrag 2: 
Chaperone  helfen bei der Faltung der Proteine
Eiweiße (Proteine) sind langkettige Moleküle, die durch Verknüpfung von Aminosäuren entstehen. Diese Molekülketten ordnen sich in zunehmend komplizierter werdenden  Formen an. Auf die Primärstruktur (=Kettenform) folgt durch innermolekulare Kräfte die Sekundärstruktur: Dabei ergeben sich die Helix- (=Schraube) oder die Faltblatt-Struktur.
Durch funktionelle Gruppen (z.B. besonders durch die -SH Gruppe einiger AA) lagern sich wiederum Teile dieser Ketten zusammen. Es entsteht ein „Knäuel“,  die Tertiärstruktur. Während man noch vor einigen Jahren von einer zufälligen Anordnung  sprach, zeigte sich insbesondere durch die genaue Übereinstimmung der Faltung bei Enzymen, dass hier für den Zufall kein Platz bleibt.

Für einige Beispiele kennt man inzwischen sogar „helfende Moleküle“, die  die Proteingestalt zielsicher gestalten: Man spricht von Chaperonen (frz. chaperon, le - die Anstandsdame). Besonders interessant erweist sich deren Tätigkeit bei der Faltung „gesunder“ in infektiöse Proteine, wie es bei der Umwandlung von „gesunden“ Prion-Proteinen  in infektiöse Prionen geschieht. Dabei können Chaperone nur tätig werden, wenn bereits infektiöse Prionen vorliegen.
Übungsaufgaben:
Tabelle:
 Einige Aminosäuren mit den zugehörigen Seitenresten R und deren Polarität
Abb.1:
Ein Polypeptid mit 12 Aminosäuren in Primärstruktur

Kreise bzw. Quadrate symbolisieren polare bzw. unpolare Reste R

Abb.2:
Das Polypeptid aus Abb.1 in wässriger Lösung in Raumstruktur
Fragen:

1) Entscheiden Sie, ob die Kreise oder die Quadrate die polaren Seitenreste symbolisieren.
2) Geben Sie mit Hilfe der Tabelle eine mögliche Aminosäure-Sequenz für das Polypeptid an, die die Raumstruktur in Abb.2 erklärt. Begründen Sie ihre Wahl.
3) Durch Mutationen im Erbgut können falsche Aminosäuren in die Polypeptidkette eingebaut werden.
Welche Mutation hätte für die Raumstruktur -und damit für die biologische Funktion des Proteins - den größeren Effekt:
a) An Position 10 wird Leucin durch Valin ersetzt
oder:
b) An Position 10 wird Leucin durch Serin ersetzt. Begründen Sie.

4)
Begründen Sie mit der Darstellung in Abb.3, warum Proteine mit überwiegend beta-Faltblatt-Struktur (Horn, Fingernägel) filzartig und schlecht wasserlöslich sind.
Abb.3: Ausschnitt aus einem Protein mit beta-Faltblattstruktur:
Lösungsvorschlag:

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