Aminosäuren, Peptide und Proteine: Überblick

Aminosäuren sind mit ihren vielfältigen Funktionen für alle Lebensformen unverzichtbar. Man unterscheidet proteinogene Aminosäuren, die Bausteine von Peptiden oder Proteinen sind, von nicht proteinogenen Aminosäuren, die im Körper andere Funktionen übernehmen (z.B. als Neurotransmitter).

Insgesamt gibt es beim Menschen 21 proteinogene α-Aminosäuren, wobei 20 klassische (kanonische), durch spezifische Codons codierte Aminosäuren sind; hinzu kommt Selenocystein, das kein eigenes Codon besitzt. Die proteinogenen Aminosäuren unterteilt man weiter in essenzielle, nicht essenzielle und semiessenzielle Aminosäuren. Für den Menschen sind 8 der 21 Aminosäuren essenziell, können also vom Körper nicht selbst hergestellt, sondern müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Nicht essenzielle Aminosäuren kann er dagegen in ausreichender Menge synthetisieren. Semiessenzielle Aminosäuren können vom Körper zwar produziert werden, sie sind aber unter bestimmten Bedingungen (z.B. schwere Verletzungen, Wachstum, körperliche Belastung) essenziell und müssen dann zugeführt werden.

Grundstruktur von Aminosäuren

Die 21 proteinogenen Aminosäuren des Menschen besitzen die gleiche Grundstruktur aus einem zentralen α-C-Atom, an das 4 Substituenten gebunden sind:

• eine Aminogruppe (-NH₂)

• eine Carboxygruppe (-COOH)

• ein Wasserstoffatom (-H)

• eine Seitenkette, die für jede Aminosäure charakteristisch ist (-R).

Die Seitenkette einer Aminosäure kann u.a. polar oder unpolar, schwefelhaltig, aromatisch oder aliphatisch sein (Strukturformeln der 20 klassischen proteinogenen Aminosäuren im Bild). Mit Ausnahme von Glycin ist das α-C-Atom bei allen proteinogenen Aminosäuren asymmetrisch substituiert und bildet damit ein Chiralitätszentrum. Betrachtet man eine Aminosäure in der Fischer-Projektion, unterscheidet man nach dem D/L-System 2 Konfigurationen:

• D-Aminosäuren: die NH₂- bzw. NH₃⁺-Gruppe steht rechts vom α-C-Atom

• L-Aminosäuren: die NH₂- bzw. NH₃⁺-Gruppe steht links vom α-C-Atom.

In Proteinen des menschlichen Körpers kommen nur L-Aminosäuren vor.

Chemische und physikalische Eigenschaften

Mit Ausnahme von Glycin zeigen alle proteinogenen Aminosäuren eine optische Aktivität, sie drehen also linear polarisiertes Licht. Außerdem verleihen die Amino- und Carboxygruppe wie auch die unterschiedlichen Seitenketten den Aminosäuren charakteristische chemische Eigenschaften. Die Polarität der Aminosäuren (bzw. ihrer Seitenkette) beeinflusst z.B. deren Wasser- bzw. Fettlöslichkeit. Allen Aminosäuren ist jedoch gemein, dass sie in Lösung als Zwitterionen (siehe Bild) vorliegen können, d.h., die Aminogruppe ist protoniert (positiv geladen) und die Carboxygruppe deprotoniert (negativ geladen). Dies ist allerdings nur bei einem spezifischen pH-Wert der Fall. Dieser pH-Wert wird als isoelektrischer Punkt (pI, auch IP) bezeichnet und ist von Aminosäure zu Aminosäure unterschiedlich. Aminosäuren weisen daher auch unterschiedliche Titrationskurven (siehe Bild) auf.

Die (protonierte) Aminogruppe kann als Protonendonator fungieren, ist nach Brønsted also eine Säure. Die Carboxygruppe kann Protonen aufnehmen und ist daher eine Base. Verbindungen, die sowohl als Säure als auch als Base dienen können, nennt man Ampholyte.

Peptidbindung und Proteinstruktur

Aminosäuren können über Peptidbindungen (siehe Bild) miteinander verknüpft werden. Dabei reagiert die Aminogruppe der einen Aminosäure unter Abspaltung von Wasser mit der Carboxygruppe einer anderen Aminosäure. Bei dieser Reaktion entsteht eine amidartige Verknüpfung, die man als Peptidbindung bezeichnet. Ketten aus mehreren Aminosäuren nennt man Peptide bzw. Proteine. Sind 3–10 Aminosäuren miteinander verknüpft spricht man von Oligopeptiden. Verbindungen mit 10–100 Aminosäuren werden häufig Polypeptide genannt, ab 100 Aminosäuren spricht man im Allgemeinen von Proteinen; typisches Merkmal von Proteinen ist jedoch außerdem ihre definierte Raumstruktur (Tertiärstruktur). Aufgrund der unterschiedlichen Kriterien (Zahl der Aminosäuren, Raumstruktur) ist die Abgrenzung zwischen diesen Gruppen also eher fließend. So ist Insulin mit seinen 51 Aminosäuren und seinen Disulfidbrücken durchaus ein Protein (es gilt als das kleinste Protein des Menschen).

Peptide oder Proteine erfüllen im menschlichen Körper vielfältige Aufgaben:

• Biokatalysatoren (Enzyme)

• Signalstoffe (Peptid- oder Proteohormone)

• Transporter (Kanäle, Carrier)

• Speichersubstanzen

• biologische Motoren (Aktin, Myosin)

• Strukturelemente (z.B. Zytoskelett).

Ihre biologische Funktion wird von ihrer Struktur oder Konformation bestimmt, die auf 4 Ebenen beschrieben werden kann – Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.

Primärstruktur

Die Primärstruktur beschreibt die Aminosäuresequenz, d.h. die Abfolge der einzelnen Aminosäuren innerhalb der Kette. Die einzelnen Aminosäuren der Kette werden über Peptidbindungen verknüpft. Das Kettenende mit der freien Carboxygruppe wird Carboxyterminus (C-Terminus) genannt, das andere Ende mit freier Aminogruppe Aminoterminus (N-Terminus).

Die Information über die Aminosäuresequenz ist in der Nucleotidsequenz der DNA codiert (genetischer Code). Die DNA wird zunächst in einem als Transkription bezeichneten Vorgang in mRNA umgeschrieben. Im Zuge der Translation wird diese dann von Ribosomen in die Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt.

Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur ist die lokale räumliche Struktur eines Proteins, die durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den CO- und NH-Gruppen der Aminosäuren entsteht. Typische Sekundärstrukturen sind die schraubenförmige α-Helix (siehe Bild) und das ziehharmonikaähnliche β-Faltblatt (siehe Bild).

Tertiärstruktur

Die Tertiärstruktur beschreibt die dreidimensionale Struktur des gesamten Proteins. Stabilisiert wird die Tertiärstruktur von Kräften (Übersicht siehe Bild), die zwischen den Seitenketten der Aminosäuren wirken, wie:

• Wasserstoffbrücken zwischen Gruppen der Seitenketten

• Disulfidbrücken (kovalente Bindungen, die durch Dehydrierung zweier Cysteinreste entstehen)

• Ionenbindungen zwischen positiv und negativ geladenen Gruppen der Seitenketten

• hydrophobe Wechselwirkungen, die im Inneren der Proteine auftreten und Wassermoleküle verdrängen

• Dipol-Dipol-Wechselwirkungen

• Van-der-Waals-Kräfte.

Die Proteine nehmen ihre korrekte räumliche Struktur (Faltung) spontan oder mithilfe von Faltungshelferenzymen und Chaperonen ein.

Quartärstruktur

Funktionelle Proteine können sich aus mehreren Untereinheiten zusammensetzen. Die Quartärstruktur beschreibt die räumliche Anordnung der verschiedenen Polypeptidketten (Untereinheiten) eines Proteins. Die Anzahl der Untereinheiten kann unterschiedlich sein – z.B. 4 Untereinheiten beim Hämoglobin (siehe Bild) und 20 Untereinheiten beim Apoferritin.