Proteine

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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.

A. F. PROTEINE 3


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)

A. F. PROTEINE 6


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)

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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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