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Kurs: Biologie Bibliothek > Lerneinheit 5
Lektion 5: ProteineEbenen der Proteinstruktur
Ebenen der Proteinstruktur: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur. Alpha-Helix und beta-Faltblatt.
Einführung
Hast du dich schonmal gefragt, warum sich das Eiweiß von klar zu undurchsichtig verfärbt, wenn du ein Ei bräts? Wenn ja, dann ist dieser Bereich hier der richtige für dich!
Eiweiß enthält eine große Menge an Proteinen. die sogenannten Albumine. Diese haben normalerweise aufgrund von Bindungen, die sich zwischen den verschiedenen Aminosäuren in dem Protein bilden, eine bestimmte dreidimensionale Form. Durch Hitze brechen diese Bindungen auf und hydrophobe (wassermeidende) Aminosäuren, die sich für Gewöhnlich im Inneren des Proteins befinden, werden freigelegt.
Wie wir im letzten Artikel zu Proteinen und Aminosäuren erwähnt haben, ist die Form eines Proteins sehr wichtig für seine Funktion. Um zu verstehen, wie ein Protein seine finale Form oder Konformation erhält, müssen wir die vier Ebenen der Proteinstruktur verstehen: Die Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.
Primärstruktur
Die einfachste Ebene der Proteinstruktur, die Primärstruktur, ist einfach die Sequenz der Aminosäuren in der Polypeptidkette. Das Hormon Insulin besitzt zum Beispiel zwei Polypeptidketten, A und B, wie du in der Abbildung unten sehen kann. (Das dargestellte Insulinmolekül ist Rinderinsulin, wobei seine Struktur ähnlich zu menschlichem Insulin ist.) Jede Kette besitzt ihre eigene Zusammensetzung an Aminosäuren, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Die Sequenz der A-Kette beginnt zum Beispiel mit Glycin am N-Terminus und endet mit Asparagin am C-Terminus und entscheidet sich von der Sequenz der B-Kette.
Die Proteinsequenz wird durch die DNA des Gens, das für dieses Protein (oder bei Proteinen mit mehreren Untereinheiten für einen Teil des Proteins) codiert, bestimmt. Eine Veränderung der DNA-Sequenz des Gens kann zu einer Veränderung der Aminosäuresequenz des Proteins führen. Der Austausch einer einzigen Aminosäure in der Proteinsequenz kann sich auf die Gesamtstruktur und die Funktion des Proteins auswirken.
Die Veränderung einer einzigen Aminosäure steht zum Beispiel im Zusammenhang mit der Sichelzellanämie, einer Erbkrankheit, die die roten Blutkörperchen betrifft. Bei der Sichelzellanämie liegt bei einer der Polypeptidketten, aus denen Hämoglobin, das Protein, das Sauerstoff im Blut transportiert, besteht, eine leichte Veränderung der Sequenz vor. Die Glutaminsäure, normalerweise die sechste Aminosäure in der β-Hämoglobinkette (eine der beiden Arten von Proteinketten, aus denen Hämoglobin besteht), ist ersetzt durch Valin. Dieser Austausch wird in der Abbildung unten für einen Ausschnitt der β-Kette gezeigt.
Besonders bemerkenswert ist dabei, dass ein Hämoglobinmolekül aus zwei α-Ketten und zwei β-Ketten gebildet wird, die jeweils aus etwa 150 Aminosäuren bestehen. Im gesamten Protein sind also etwa 600 Aminosäuren vorhanden. Der Unterschied zwischen einem normalen Hämoglobinmolekül und einem Sichelzellanämie-Molekül besteht nur in zwei Aminosäuren von insgesamt etwa 600.
Eine Person, dessen Körper nur sichelförmiges Hämoglobin herstellt, wird die Symptome einer Sichelzellanämie zeigen. Diese treten auf, weil der Austausch der Aminosäure Glutaminsäure gegen Valin dazu führt, dass die Hämoglobinmoleküle sich zu langen Fasern verbinden. Diese Fasern vorformen die scheibenförmigen roten Blutkörperchen in eine Halbmondform. Beispiele für "sichelförmige" Zellen vermischt mit normalen, scheibenförmigen Blutzellen kannst du in der folgenden Abbildung sehen.
Die sichelzellförmigen Zellen bleiben stecken, wenn sie versuchen, durch die Blutgefäße zu wandern. Die steckengebliebenen Zellen beeinträchtigen den Blutfluss und können schwerwiegende gesundheitliche Probleme bei Menschen mit Sichelzellanämie verursachen, einschließlich Atemnot, Schwindel, Kopfschmerzen und Schmerzen im Unterleib.
Sekundärstruktur
Die nächste Ebene der Proteinstruktur, die Sekundärstruktur, bezeichnet lokal gefaltete Strukturen, die sich innerhalb eines Polypeptids aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Atomen des Rückgrats bilden. (Das Rückgrat bezeichnet die Polypeptidkette ohne die Reste – die Sekundärstruktur beinhaltet also nicht die Atome der Reste.) Die häufigsten Formen der Sekundärstruktur sind die α-Helix und das β-Faltblatt. Beide Strukturen werden durch Wasserstoffbrückenbindungen, die sich zwischen dem Sauerstoff der Carbonylgruppe einer Aminosäure und dem Wasserstoff der Aminogruppe einer anderen Aminosäure bilden, in Form gehalten.
In einer α-Helix ist die Carbonylgruppe (C=O) einer Aminosäure durch eine Wasserstoffbrückenbindung an den Wasserstoff der Aminogruppe (N-H) einer Aminosäure, die sich vier Plätze weiter auf der Kette befindet, verbunden. (Die Carbonylgruppe der Aminosäure 1 bildet z. B. eine Wasserstoffbrückenbindung zur N-H-Gruppe der Aminosäure 5.) Dieses Bindungsmuster zieht die Polypeptidkette in eine spiralförmige Struktur, die einem gekräuselten Band ähnelt, wobei jede Windung der Helix 3,6 Aminosäuren enthält. Die Reste der Aminosäuren liegen außerhalb der Helix, wo sie frei interagieren können.
In einem β-Faltblatt liegen zwei oder mehr Abschnitte einer Polypeptidkette nebeneinander und bilden eine ziehharmonikaähnliche Struktur, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten wird. Die Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich zwischen den Carbonyl- und Aminogruppen des Rückgrats, während die Reste über und unter der Ebene des Faltblatts liegen.
Bestimmte Aminosäuren sind häufiger oder seltener in α-Helices oder β-Faltblättern zu finden. Die Aminosäure Prolin wird zum Beispiel manchmal als "Helixbrecher" bezeichnet, weil ihr außergewöhnlicher Rest (der an die Aminogruppe unter Bildung eines Rings bindet) eine Krümmung in der Kette verursacht und nicht kompatibel mit der Bildung einer Helix ist.
Viele Proteine enthalten sowohl α-Helices als auch β-Faltblätter, allerdings enthaltige einige nur eine Art der Sekundärstruktur (oder bilden nicht beide Arten).
Tertiärstruktur
Der übergeordnete, dreidimensionale Aufbau eines Polypeptids wird Tertiärstruktur genannt. Die Tertiärstruktur hängt vor allem von Wechselwirkungen zwischen den Resten der Aminosäuren ab, aus denen das Protein besteht.
Zu den Wechselwirkungen, die zur Tertiärstruktur beitragen, gehören Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und London-Kräfte – grundsätzlich also die gesamte Bandbreite an nicht-kovalenten Bindungen. Reste mit ähnlichen Ladungen stoßen sich zum Beispiel gegenseitig ab, während Reste mit entgegengesetzten Ladungen Ionenbindungen bilden können. Ebenso können polare Reste Wasserstoffbrückenbindungen und andere Dipol-Dipol-Wechselwirkungen eingehen. Auch wichtig für die Tertiärstruktur sind hydrophobe Wechselwirkungen, bei denen Aminosäuren mit unpolaren, hydrophoben Resten sich im Inneren eines Proteins gruppieren und hydrophile Aminosäuren auf der Außenseite zurück lassen, die mit den umgebenden Wassermolekülen interagieren können.
Schließlich gibt es eine Sonderform der kovalenten Bindungen, die zur Tertiärstruktur beitragen kann: die Disulfidbrücke. Disulfidbrücken, kovalente Bindungen zwischen schwefelhaltigen Seitenketten von Cysteinen, sind viel stärker als andere Bindungsarten, die zur Tertiärstruktur beitragen. Sie fungieren als molekulare "Sicherheitsnadeln". indem sie Teile des Polypeptids fest aneinander binden.
Quartärstruktur
Viele Proteine bestehen aus einer einzigen Polypeptidkette und weisen nur drei Strukturebenen auf (diejenigen, die wir gerade besprochen haben). Einige Proteine bestehen jedoch aus mehreren Polypeptidketten, auch Untereinheiten genannt. Wenn sich diese Untereinheiten miteinander verbinden, geben sie dem Protein seine Quartärstruktur.
Wir sind bereits auf ein Bespiel für ein Protein mit einer Quartärstruktur gestoßen: Hämoglobin. Wie schon erwähnt, transportiert Hämoglobin Sauerstoff im Blut und besteht aus vier Untereinheiten, je zwei α- und β-Einheiten. Ein weiteres Beispiel ist die DNA-Polymerase, ein Enzym, das neue DNA-Stränge synthesiert und aus zehn Untereinheiten zusammengesetzt ist.
Im Allgemeinen halten die gleichen Arten von Interaktionen, die zur Tertiärstruktur beitragen (vor allem schwache Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und London-Kräfte), auch die Untereinheiten zusammen und geben dem Protein seine Quartärstruktur.
Denaturierung und Proteinfaltung
Jedes Protein besitzt seine eigene, einzigartige Form. Wenn sich die Temperatur oder der pH-Wert der Umgebung verändern oder wenn es Chemikalien ausgesetzt wird, können seine Wechselwirkungen gestört werden, wodurch das Protein seine dreidimensionale Struktur verliert und wieder zu einem unstrukturierten Strang von Aminosäuren wird.
Wenn ein Protein seine übergeordnete Struktur verliert, aber nicht seine Primärsequenz, wird es denaturiert. Denaturierte Proteine besitzen gewöhnlich keine Funktion.
Bei einigen Proteinen kann die Denaturierung rückgängig gemacht werden. Da die Primärstruktur des Polypeptids noch intakt ist (die Aminosäuren wurden nicht getrennt), können sie in der Lage sein, sich wieder in ihre funktionsfähige Form zurückzufalten, wenn sie sich wieder in einer normalen Umgebung befinden. In anderen Fällen ist die Denaturierung jedoch dauerhaft. Ein Beispiel für eine irreversible Proteindenaturierung ist das Braten eines Eis. Das Protein Albumin im flüssigen Eiweiß wird undurchsichtig und fest, wenn es durch die Hitze der Herdplatte denaturiert wird. Wenn es abkühlt, kehrt es nicht zu seiner ursprünglichen Zustand im rohen Ei zurück.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass einige Proteine sich nach der Denaturierung wieder zurückfalten können, auch wenn sie sich alleine in einem Reagenzglas befinden. Da sich diese Proteine alleine von ihrer unstrukturierten zu ihrer gefalten Form verändern können, muss ihre Aminosäuresequenz alle Informationen, die für die Faltung wichtig sind, enthalten. Jedoch können nicht alle Proteine diesen Trick durchführen und die normale Faltung von Proteinen in einer Zelle scheint komplizierter zu sein. Viele Proteine falten sich nicht selbst, sondern erhalten Hilfe von Chaperon-Proteinen.
Weitere Informationen außerhalb der Khan Academy
Willst du mehr über den Aufbau und Faltung von Proteinen erfahren? Schau dir die scrollbare interaktive Simulation von LabXchange an.
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LabXchange ist eine kostenlose Online-Wissenschafts-Lernplattform der Harvard’s Faculty of Arts and Sciences und wird durch die Amgen Foundation unterstützt.
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