Proteine

Proteine
1. DNA und Proteine
1.1 Von der DNA zum Protein
Die Information über den Aufbau der Proteine ist in der DNA (Desoxyribonukleinsäure)
gespeichert. Die Abschnitte der DNA, welche zur Herstellung einer mRNA (messenger-
Ribonukleinsäure) dienen, nennt man Gene. Andere Abschnitte der DNA dienen der
Aufrechterhaltung der Struktur oder regulieren die Verwendung der genetischen Information.
Die RNA Synthese an der DNA Matritze bezeichnet man als Transkription. Die Proteinsynthese an
der RNA-Matritze nennt man Translation.
Molekularbiologisches Dogma: DNA RNA Protein
(es gibt allerdings Ausnahmen, z.B. die reverse Transkriptase: Viren verwenden RNA als
Erbmaterial, machen daraus DNA und integrieren sie in das Genom der Wirtszelle)
1.2 Aufbau der DNA
Die DNA ist ein Kettenmolekül (Polymer) aus einzelnen Nukleotiden. Nukleotide
bestehen aus drei Bestandteilen: Phosphorsäure/Phosphat, einem Zucker
(Desoxyribose) und einer Base (heterozyklische Nukleobase).
Das Rückgrat der DNA besteht aus über eine Esterbindung verknüpften Zuckerund
Phosphatresten. Die 3´-Hydroxygruppe des Zuckers ist mit der 5´-Hydroxylgruppe
des nächsten Zuckers über eine Phosphodiesterbindung (siehe Abb. 1
rechts, blaue Kreise) verknüpft. Das Rückgrat ist daher im gesamten DNA-
Molekül gleichbleibend.
An jede Desoxyribose (Zucker) ist durch eine N-glycosidische Bindung eine von
vier Basen geknüpft.
Die Nukleinsäure-Basen der DNA sind aromatische Heterocyclen, die sich
entweder von Pyrimidin oder Purin ableiten.
Abbildung 1:
Phosphodiesterbindung
Abbildung 2: Basenpaare
Purin-Basen: Adenin (Ade, A) und Guanin (Gua, G)
Pyrimidin-Basen: Cytosin (Cyt, C) und Thymin
(Thy, T)
Aufgrund der Wasserstoffbrückenbindung zwischen
Purin- und Pyrimidinbasen liegt die DNA
üblichweise nicht als Einzel-, sondern als
Doppelmolekül vor. Jede Base in einem Strang ist
mit einer komplementären Base im anderen Strang
verknüpft, und zwar Adenin mit Thymin (A-T) und
Guanin mit Cytosin (G-C).
A. F. PROTEINE 1

Diese Basenpaarungen sind allerdings nur möglich, wenn die Polarität der beiden Stränge
unterschiedlich ist (d.h. wenn sie unterschiedliche Richtungen haben) und wenn die Stränge in
Form einer Doppelhelix umeinander gewunden sind.
DNA-Stränge haben „Richtungen“, da die Enden jedes Strangs unterschiedlich sind:
Am 5´-Kohlenstoff Atom der Desoxyribose hängt ein freier Phosphat-Rest, am 3´-Ende eine
Hydroxy-Gruppe.
1.3 Genetischer Code
In der Mitte der 1960er Jahre wurde der genetische
Code geknackt. Der genetische Code ist die Regel,
nach der in Nukleinsäuren befindliche Dreiergruppen
aufeinanderfolgender Nukleobasen (Tripletts oder
Codons genannt) in Aminosäuren übersetzt werden.
Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut (mehr dazu
in Kapitel 2). Durch die genetisch festgelegte
Sequenz der Aminosäuren im Protein faltet sich das
synthetisierte Protein in einer bestimmten Weise.
Bisher ist es noch nicht möglich, aus einer
Aminosäuresequenz die resultierende räumliche
Struktur des Proteins zu berechnen.
Die Strukturaufklärung von Proteinen erfolgt durch
Röntgenstrukturanalyse oder NMR
(Kernresonanzspektroskopie).
Abbildung 3: Genetische Code-Sonne
Am Beispiel des Hämoglobin-Proteins sieht
man die Fähigkeit einzelner Protein-Stränge,
sich zu größeren Einheiten zu verbinden.
Hämoglobin besteht aus vier Strängen
(Tetramer), davon zwei α (siehe Abb. links,
blau) und zwei β- (rot) Untereinheiten. Das
eisenhaltige Häm als prostethische Gruppe
(Nichtprotein) ist hier grün gezeichnet.
Hämoglobin hat die Aufgabe, Sauerstoff
reversibel zu binden.
Abbildung 4: Kristallstruktur des Hämoglobins
Die vier Untereinheiten werden durch
Wasserstoffbrücken, ionische und hydrophobe
Wechselwirkungen zusammengehalten.
A. F. PROTEINE 2

Sollte in der DNA eine Base durch eine andere ausgetauscht werden, kann dies zu einer anderen
Aminosäuresequenz im Protein führen, da Aminosäuren ja durch Basentripletts codiert werden. Da
die Faltung (und damit biologische Wirksamkeit) des Proteins von der Aminosäuresequenz
abhängt, kann es zu einer andersartigen Faltung oder im schlimmsten Fall zu gar keiner Faltung
kommen. Bei der Sichelzellenanämie ist z.B. an der Position 6 der β-Untereinheit des Hämoglobins
die Aminosäure Glutaminsäure (Codon GAG) durch Valin (Codon GUG) ersetzt
(„Punktmutation“).
2. Aminosäuren, Peptide und Proteine
2.1 Aminosäuren
Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Die 20 „kanonischen“ Standardaminosäuren werden
durch Codons des genetischen Materials kodiert. Es gibt noch weitere proteinogene Aminosäuren,
die jedoch nicht kodiert werden, sondern nach der Synthese der Polypeptidkette z.B. durch
Acetylierung des Aminoendes, oder durch Hydroxylierung modifziert werden.
Eine α-Aminosäure (IUPAC-Nomenklatur: 2-Aminocarbonsäure) besteht aus vier am C α -Atom
gebundenen Gruppen (siehe Abb. 5 rechts)
- Carboxylgruppe -COOH (rot)
- Aminogruppe -NH 2 (blau)
- Wasserstoffatom -H
- Rest -R (grün)
Abbildung 5: Grundstruktur einer alpha-
Aminosäure
Allen Aminosäuren sind die ersten drei
Gruppen gemein, sie unterscheiden sich nur
durch den Rest R – die „Seitenkette“.
Aufgrund der vier verschiedenen an das C α -
Atom gebundenen Gruppen ist dieses chiral -
Aminosäuren sind optisch aktive
Stereoisomere, es gibt L- und D-Isomere. In
der Natur sind jedoch nur die L-Aminosäuren
am Aufbau von Proteinen beteiligt.
Abbildung 6: Spiegelbildisomerie einer Aminosäure
Da die einfachste Aminosäure, Glycin, als
Seitenkette lediglich ein Wasserstoffatom besitzt gibt es keine Glycin-Isomere (zweimal
Wasserstoff als Gruppe, kann durch Drehung zur Deckung gebracht werden).
Bei neutralem pH-Wert liegen die Aminosäuren nicht ungeladen, sondern als Zwitterionen (dipolare
Ionen) vor – die Aminogruppe ist teilweise protoniert (-NH 3+ ), die Carboxylgruppe teilweise
deprotoniert (-COO - ). Der Dissoziationsgrad ändert sich mit dem pH, z.B. ist bei niedrigen pH-
Werten die Aminogruppe protoniert (und damit ionisiert), während die Carboxylgruppe
nichtionisiert ist.
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Abbildung 7:
nichtionisierte Form
Zwitterion
ionisierte (dipolare) Form
2.2 Peptidbindung
Zwei Aminosäuren können sich in einer Kondensationsreaktion (Wasserabspaltung) unter Bildung
einer sog. Peptidbindung -NH-CO- (siehe Abb. 8, rot) zwischen der Aminogruppe der einen und
der Carboxylgruppe der anderen Aminosäure verknüpfen. Die Reaktionsprodukte sind ein Dipeptid
und Wasser.
Abbildung 8: Peptidbindung
Proteine sind Polypeptide aus manchmal hunderten über Peptidbindungen verknüpften
Aminosäuren. Dies führt zu einer Hauptkette (dem „Rückgrat“) sich regelmäßig wiederholender
Einheiten, und je nach ursprünglicher Aminosäure variablen Seitenketten (Rest -R). Da das
Rückgrat in allen Proteinen ident ist, werden die Eigenschaften eines Proteins durch seine
Seitenketten determiniert.
Die Hauptkette hat einen aminoendständigen (-NH3 + ) und einen carboxylendständigen (-COO - )
Rest. Man ist übereingekommen, das Aminoende als Anfang der Kette zu betrachten, daher wird
eine Sequenz von Aminosäuren in einem Polypeptid auch so notiert, dass der aminoendständige
Rest am Anfang (also links) steht.
2.3 Chemische Eigenschaften
Die Aminosäurenseitenketten unterscheiden sich in Größe, Aufbau, Polarität und chemischer
Reaktivität und haben daher unterschiedliche chemische Eigenschaften. Ein übliches
Einteilungskriterium ist die Hydrophobizität (Wasser-abstoßender Charakter).
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Abbildung 9: Die 20 proteinogenen Standardaminosäuren
Aminosäuren mit hydrophober Seitenkette sind aus energetischen Gründen kaum auf der
Oberfläche eines in Wasser gefaltenen Proteins zu finden. In der α-Untereinheit des Hämoglobins
sind zwei Methionin, sieben Phenylalanin und einige Leucin und Valin Aminosäuren enthalten
(kein Isoleucin). Diese Aminosäuren sind in der Mitte des gefalteten Proteins zu finden, und bilden
eine hydrophobe Tasche, welche zur Bindung der Häm-Gruppe dient.
2.3.1 Hydrophobe Aminosäuren mit aliphatischem, unpolarem Rest
Die Seitenketten dieser Aminosäuren enthalten kein Ringsystem und sind ausgesprochen unpolar.
Isoleucin besitzt zwei chirale Zentren.
Abbildung 10
Valin Leucin Isoleucin Methionin
(Val, V) (Leu, L) (Ile, I) (Met, M)
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2.3.2 Hydrophobe Aminosäuren mit aromatischem, unpolarem Rest
Die Seitenketten dieser Aminosäuren enthalten ein Ringsystem und sind unpolar. Nur Phenylalanin
ist stark unpolar, die Hydroxy-Gruppe (-OH) von Tyrosin (pK S = 10,1) sowie der -NH- Teil im
Indol-Ring des Tryptophans haben hydrophilen Charakter.
Abbildung 11
Phenylalanin Tyrosin Tryptophan
(Phe, F) (Tyr, Y) (Trp, W)
2.3.3 Hydrophile Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette und Hydroxylgruppe
Threonin besitzt zwei chirale Zentren.
Abbildung 12
Serin
Threonin
(Ser, S) (Thr, T)
2.3.4 Hydrophile, basische Aminosäuren
Die basischen Aminosäuren Lysin und Arginin sind bei neutralem pH protoniert und deshalb
positiv geladen. Arginin ist aufgrund seiner Guanidinium-Gruppe besonders basisch (pK S = 12,5).
Der Imidazol-Ring des Histidins kann sowohl als H + -Akzeptor als auch als -Donator fungieren, er
wird bereits bei schwach saurem pH protoniert. Nur die protonierte Form ist aromatisch.
Abbildung 13
Lysin Arginin Histidin
(Lys, K) (Arg, R) (His, H)
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2.3.5 Hydrophile, saure Aminosäuren
Die Carboxy-Gruppen der sauren Aminosäuren sind bei physiologischen pH-Werten praktisch
vollständig deprotoniert (pK S ASP = 4,0; pK S GLU = 4,3) und damit ionisiert.
Abbildung 14
Aspartat
Glutamat
(Asp, D) (Glu, E)
2.3.6 Aminosäuren mit Carbonsäureamid-Gruppe
Asparagin und Glutamin haben dieselbe Struktur wie Aspartat und Glutamat, besitzen aber statt der
Carboxyl-Gruppe (COOH) eine Carbonsäureamid-Gruppe (CONH 2 ). Die Amid-Gruppen sind
polar, jedoch nicht ionisch.
Abbildung 15
Asparagin
Glutamin
(Asn, N) (Gln, Q)
2.3.7 Glycin und Alanin
Die einfachsten und kleinsten Aminosäuren sind Glycin und Alanin. Glycin weist als Seitenkette
lediglich ein Wasserstoffatom, Alanin nur eine Methylgruppe auf. Wie bereits unter Pkt. 2.1
erläutert, gibt es von Glycin keine Stereoisomere.
Abbildung 16
Glycin
Alanin
(Gly, G) (Ala, A)
A. F. PROTEINE 7

2.3.8 Cystein und Prolin
Sowohl Cystein als auch Methionin enthalten Schwefel, jedoch kann nur die reaktive
Sulfhydrylgruppe (-SH) des Cysteins Disulfidbrücken mit anderen Cystein-Aminosäuren ausbilden.
Disulfidbrücken spielen eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung bestimmter Proteine. So sind in
Immunoglobulinen (Antikörper), einer Proteingruppe mit sehr verschiedenen Unterklassen, fast
immer Disulfidbrücken an einer bestimmten Position zu finden.
Im Gegensatz zu den anderen Aminosäuren ist die Seitenkette des Prolin nicht nur mit dem
α-Kohlenstoff, sondern auch mit dem Stickstoffatom verbunden. Da die Seitenkette sich wieder mit
dem Rückgrat verbindet, wird ein Ring geformt. Dies hat Auswirkungen auf die Proteinstruktur,
Prolin führt zu einem Knick in der Peptidkette, und wird deshalb auch als „Helix-Brecher“
bezeichnet, da es α-Helices und β-Faltblätter unterbrechen kann (mehr zu diesen Strukturen weiter
unten).
Abbildung 17
Cystein
Prolin
(Cys, C) (Pro, P)
3. Hämoglobin
3.1 Struktur und Funktion
Wie bereits auf Seite 2 erläutert, besteht Hämoglobin aus vier
Strängen (Tetramer), davon zwei α und zwei β-Untereinheiten.
In jede dieser vier Untereinheiten ist ein eisenhaltiges Häm als
prostethische Gruppe (Nichtprotein) eingebettet, welches ein
Sauerstoffmolekül O 2 binden kann.
Hämoglobin ist das sauerstofftransportierende Protein in den roten
Blutzellen (Erythrozyten). Das im Häm enthaltene Eisen ist
verantwortlich für die rote Farbe des Blutes. Die chemische Funktion
des Hämoglobins ist die reversible Bindung von Sauerstoff, die
biologische Funktion der Sauerstofftransport von den Lungen zu den
Muskeln.
3.2 Globine
Abbildung 18: Strukturformel des
Häm b
Globine sind sauerstofftransportierende oder -bindende Proteine. Im Menschen wurden bisher
Hämoglobin, Myoglobin, Neuroglobin und Cytoglobin entdeckt.
A. F. PROTEINE 8

Sie alle haben dieselbe chemische Funktion: die reversible Bindung von Sauerstoff. Ihre
biologische Funktion ist jedoch unterschiedlich:
– Hämoglobin: Sauerstofftransport von den Lungen zu den Muskeln
– Myoglobin: Sauerstoffspeicherung und -transport im Muskel
– Neuroglobin: Sauerstoffspeicherung und -transport im Gehirn
– Cytoglobin: unbekannt, möglicherweise Sauerstoffspeicherung und -transport in der Zelle
3.3 Hämoglobin anderer Arten
Der Vergleich der Hämoglobin α−Untereinheit des Menschen mit der des Schweins (Sus scrofa)
zeigt eine zu 84% übereinstimmende Aminosäurensequenz. Vergleicht man das Humanhämoglobin
mit dem weiterer Spezies, ergeben sich Sequenzübereinstimmungen zwischen 60 und 17%. Trotz
dieser Unterschiede sind die räumlichen Strukturen der gebildeten Hämoglobine jedoch sehr
ähnlich.
Sequenzgleichheit (%) im Vergleich zu humanem Hämoglobin (α−Untereinheit)
Schwein (Sus scrofa) 84
Huhn (Gallus gallus) 60
Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) 56
Meerneunauge (Petromyzon marinus) 35
Schwarmmücke (Chironomus thummi) 17
Gelbe Lupine (Lupinus luteus) 16
Reispflanze (Oryza sativa) 15
Welcher Grad an Übereinstimmung wäre rein zufällig? Aus der Häufigkeit des Vorkommens
einzelner Aminosäuren in Proteinen p(a) kann die Häufigkeit für bestimmte Paare in zwei
verschiedenen Proteinen berechnet werden:
p(a,b) = p(a) x p(b)
Dies trifft unter der Annahme zu, dass p(a) und p(b) unabhängig voneinander sind, d.h. dass es sich
um einen zufälligen Abgleich handelt.
Die Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes identisches Paar (z.B. Leu - Leu oder Val – Val) ist
p(a,a) = p(a) x p(a) = p 2 (a)
Die Wahrscheinlichkeit für irgendein identisches Paar ist die Summe aller Wahrscheinlichkeiten für
identische Paare der 20 proteinogenen Aminosäuren:
A. F. PROTEINE 9

Unter der falschen Annahme, dass in Proteinen alle Aminosäuren gleich häufig vorkommen, liegt
die Häufigkeit für ein identisches Paar bei 0,05 (5%). Aus Protein-Datenbanken weiß man jedoch,
dass die Aminosäuren mit sehr unterschiedlicher Häufigkeit vorliegen, von Tryptophan mit nur
1,4% bis zu Leucin mit 9,8%:
Aminosäure p(a) Aminosäure p(a)
Ala 8,4 Leu 9,8
Arg 5,1 Lys 5,8
Asn 4,0 Met 2,3
Asp 5,4 Phe 4,2
Cys 1,5 Pro 4,0
Gln 3,6 Ser 5,6
Glu 6,6 Thr 5,4
Gly 7,1 Trp 1,4
His 2,3 Tyr 3,5
Ile 6,3 Val 7,8
Berechnet man mittels obiger Formel und diesen realen Werten die Wahrscheinlichkeit, in zwei
Proteinen zufällig irgendein identisches Paar zu finden, ergibt sich ein Wert von 0,06 (6%).
Im Hämoglobin von Saugwürmern oder Vielborstern finden sich immer noch
Sequenzübereinstimmungen zu Humanhämoglobin von ca. 20%. Selbst in zu uns evolutionär sehr
weit entfernten Bakterien (Bacillus subtilis) sind es rund 10%. Bakterien besitzen kein Blut und
kein Kreislaufsystem, die chemische Funktion dieses Proteins ist dieselbe wie beim Menschen, die
biologische Funktion jedoch verschieden: es dient nicht dem Sauerstofftransport, sondern der
Sauerstoffdetektion.
Selbst in Pflanzen, die eigentlich keinen Bedarf für sauerstoffbindende Proteine haben sollten,
finden sich derartige Moleküle (siehe Tabelle oben). In der Gelben Lupine schützen
Leghämoglobine die Knöllchenbakterien an den Pflanzenwurzeln. Knöllchenbakterien (Rhizobien)
fixieren elementaren Stickstoff durch Reduktion zu Ammoniak. Der stickstoffixierende
Enzymkomplex Nitrogenase ist mit einem reaktiven, jedoch sauerstoffempfindlichen aktiven
Zentrum ausgestattet. Leghämoglobin als Schutz vor Sauerstoff macht die Pflanze zu einem
attraktiven Symbiosepartner.
A. F. PROTEINE 10

ANHANG 1
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