Proteine in der Chemie

Wie wir bereits bei der Behandlung des Themas der Aminosäuren sehen konnten, sind Proteine – umgangssprachlich auch Eiweiße genannt – Makromoleküle, die aus mehreren Aminosäuren aufgebaut sind. Ursprünglich abgeleitet wurde die Bezeichnung der Proteine im Jahre 1838 von Jöns Jakob Berzelius aus dem Griechischen. Die Namensgebung beruhte schon damals zweifelsohne darauf, dass die Bedeutung der Eiweiße für das menschliche Leben enorm wichtig sind.
Verknüpft sind die proteinbildenden Aminosäuren dabei über Peptidbindungen. In jeder Zelle befinden sich Proteine, daher zählen sie auch als Grundbausteine des Lebens. In ihrer Aufgabe verleihen sie den Zellen Struktur und wirken darüber hinaus als eine Art molekularer Werkzeuge.
So katalysieren sie beispielsweise Reaktionen, pumpen Ionen, transportieren Metabolite oder machen generell die Zellbewegungen möglich. Auch unsere Haut, Haare, Muskeln sowie das Herz und Hirn bestehen vorwiegend aus verschiedenen Proteinarten.
Die Zellen des menschlichen Körpers bestehen aus insgesamt 21 verschiedenen Aminosäurearten. Davon waren zunächst erst 20 für eine lange Zeit bekannt, das Selenocystein als 21. Aminosäure wurde erst später erforscht.

Aufbau und Struktur der Proteine

Beim Aufbau gehen die Aminosäuren Ketten von teils bis zu mehreren Tausend Molekülen ein. Handelt es sich dagegen um eine Aneinanderkettung von maximal 100 Aminosäuren, so werden diese Verbindungen generell als Oligopeptide bezeichnet.


Es lässt sich folgende Einteilung vornehmen:
2 bis 10 Aminosäuren: Dipeptide, Tripeptide, Tetrapeptide usw.
> 10 Aminosäuren: Polypeptide

Exkurs: Bildung eines Dipeptids durch Kondensation (Abspaltung von Wasser)

Auch die Verkettung von zwei Aminosäuren, die ein Dipeptid bilden, ist ein typisches Beispiel für eine Kondensationsreaktion.
Die Bindung bzw. Peptidbindung findet hierbei zwischen dem Kohlenstoffatom der Aminosäure 1 und dem Stickstoffatom der Aminosäure 2 statt: Die Carboxygruppe der AS1 reagiert mit der primären Aminogruppe der AS 2. Das Wasser fällt entsprechend aus.

Bildung eines Dipeptids durch Kondensation

Ein Protein dagegen besteht meist aus Aminosäureketten von 100 bis 300 Molekülen – in nur wenigen selten aus tausend oder mehr.
Angeben lässt sich die molekulare Größe der proteinbildenden Ketten in der Maßeinheit Kilo-Dalton, kurz kDa. Um ein Beispiel zu geben: Bei Titin handelt es sich um das größte menschliche Protein. Es besteht aus über 30.000 einzelnen Aminosäuren und weist rund 3.600 kDa auf.

Insgesamt ist die Anzahl der möglichen, in unterschiedlicher Weise auftretenden Aminosäureverkettungen riesig. Geht man von einer Kettenlänge von 50 Aminosäuren aus, dann ergeben sich bereits n=21^50 verschiedene Verkettungsmöglichkeiten.

Vor dem Hintergrund ihrer vielfältigen Wirkungsweisen im Körper und Organismus ist vor allem deren räumliche Struktur – auch als ihre Faltung definiert – entscheidend. Insgesamt kann man die Proteinstruktur auf vier Betrachtungsebenen erklären:

Strukturen von Proteinen
Von Holger87 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Protein-Struktur.png

Primärstruktur

Unter der Primärstruktur versteht man die Sequenz, also die Abfolge bzw. Reihenfolge der Aminosäuren, die sich in der gesamten Peptidkette des Proteins befinden. Die Primärstruktur gibt dabei allerdings keinerlei Auskunft über den räumlichen Aufbau vom Protein, sondern nur rein über die Abfolge der enthaltenen Aminosäuren.
Eine mögliche Primärstruktur wäre demnach in folgender Schreibweise: AS1- AS2-AS3-AS4 usw., bis sämtliche Aminosäuren der Kette benannt sind.

Primärstruktur von Proteinen
Von Holger87 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Protein-Struktur.png

Sekundärstruktur

Proteinmoleküle ordnen sich räumlich an, da sich die Peptidbindung um die C-Bindungen rund um das α -C-Atom drehen kann. Die Sekundärstruktur beschreibt daher die am häufigsten auftretenden räumlichenAnordnungen oder Motive der proteinogenen Aminosäuren. Grundlage für diese räumliche Anordnung ist die Drehbarkeit sowie die intermolekularen Kräfte.
Eine mögliche räumliche Anordnung ist dabei die spiralförmige α -Helix, bei welcher die an der Verkettung beteiligten Aminosäuren in einer Art gewundenen (Spiralform) Kette über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Eine andere Möglichkeit ist die eher treppenartige Faltblattanordnung (β-Faltblatt). Weiterhin gibt es noch drei verschiedene Arten von β-Schleifen.

Sekundärstruktur von Proteinen
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Tertiärstruktur

Geht man eine Ebene höher, dann werden die der Sekundärstruktur übergeordneten räumlichen Anordnungen von der Polypeptidkette erreicht. Diese nennt man auch Tertiärstruktur, die sich durch die Lage der einzelnen Molekülteile des jeweiligen Proteins ergibt. Bestimmt wird die Tertiärstruktur dabei von den Bindungen und Kräften der Aminosäurereste bzw. deren Seitenketten.
Auch hier wirken wieder die Wasserstoffbrückenbindungen als mögliche Bindungskräfte, welche diese dreidimensionalen Anordnungen stabilisieren. Daneben wirken auch kovalente Bindungen zwischen den Atomen der Reste. So könne beispielsweise die Schwefelatome der Cysteinreste sogenannte Disulfidbrücken ausbilden. Weiterhin wirken auch ionische, hydrophobe sowie die Van-der-Waals-Kräfte.

Tertiärstruktur von Proteinen
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Quartärstruktur

Zahlreiche Proteinarten müssen sich zur vollständigen Erfüllung ihrer Funktionen zu einem Proteinkomplex verbinden. Genau hierbei, wenn mehrere Proteinmoleküle einen Verband bilden, sprich man von der Quartärstruktur. Alternativ können sich bei der Quartärstruktur auch mehrere Polypeptidketten zusammenlagern, die aus dem gleichen Vorläuferprotein hervorgegangen sind.
Verbunden sind die Proteine auch hierbei häufig über kovalente Bindungen, Salzbrückenbindungen sowie Wasserstoffbrückenbindungen. Die beteiligten Eiweiße werden auch als Protomere bezeichnet, die teilweise auch als eigenständiges Eiweiß ihre eigentliche Funktion erfüllen.
Ein typisches Beispiel einer solchen Quartärstruktur sind Antikörper, die Immunglobuline. Diese spielen eine entscheidende Rolle für die Abwehr von Fremdsubstanzen im Körper. Sie kommen verschiedenartig als Immunglobulin D oder Immunglobulin G vor, wobei jede Form eine andere Funktion erfüllt.

Quartärstruktur von Proteinen
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Unterscheidung der Protein-Hauptgruppen

Grundsätzlich lassen sich die Proteine in zwei Gruppen unterschieden: in die fibrillären und die globulären Proteine.

Als fibrilläre oder auch Faserproteine werden die zu dicken Strängen und Kabeln gewundenen Vertreter verstanden. Enthalten sind diese vor allem in Häuten, Haaren, Muskeln, Seide, Wolle sowie Krallen.
Vertreter der globulären Gruppe sind dagegen eher kugel- bzw. birnenförmig. Typische Beispiele hierfür sind zum einen das für den Sauerstofftransport im Blut verantwortliche Hämoglobin, zum anderen das Albumin, das ebenfalls im Blut als Steuerprotein für den osmotischen Druck dient. Albumin ist unter anderem auch in Eier oder Milch enthalten. Zudem können die globulären Eiweiße auch gut Wasser aufnehmen und sind auch gut darin löslich.

Betrachtet man nun das Auftreten der beiden Proteinarten, so lässt sich deren Funktion direkt mit deren Form verbinden.
So sind die am Beispiel des Sauerstofftransportes im Blut verantwortlichen Hämoglobin-Moleküle eher kugelförmig aufgebaut. Ihre räumliche Struktur lässt also noch genug Platz zur Einlagerung der Sauerstoffmoleküle.
Die faser- oder fadenförmigen Strukturen der Faserproteine dagegen sind am Beispiel in einer Muskelsehne eher spiralförmig in einer Helix angeordnet. Dadurch wiederum wird die Sehne elastischer.
Generell sind die Faserproteine eher für stützende Funktionen verantwortlich, während die globulären Proteine für das Ablaufen von internen biochemischen Funktionen verantwortlich sind.

Vorgang der Denaturierung von Protein bzw. deren Strukturen:

Am Vorgang der Denaturierung lässt sich das Strukturmodell (Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur) nochmals verdeutlichen. So lassen sich die Sekundär- und Tertiärstrukturen sowie teilweise auch die Quartärstrukturen von Molekülen durch physikalische wie auch chemische Einflüsse ändern, ohne dass hierbei etwas an der Aminosäurereihenfolge (Primärstruktur) geändert wird.
Beobachten lässt sich dies beispielsweise durch die Zugabe von Salzen, Säuren oder organischen Lösungsmitteln sowie auch durch die Druck- oder Temperaturbeaufschlagung.
Ein typisches Beispiel dafür ist das Kochen eines Hühnereis: Das darin befindliche Eiweiß wird beim Kochen fest. Während des Kochens (Temperaturerhöhung) hat sich die räumliche Struktur der Proteinmoleküle verändert – die Aminosäurensequenz also die Primärstruktur, ist jedoch gleich geblieben. Gleichzeitig lässt sich das Eiweiß auch nicht wieder in den vorherigen flüssigen Zustand überführen. Der Vorgang der Denaturierung ist daher nicht umkehrbar, also irreversibel.
Die Denaturierung machen sich die Menschen zu Nütze, um die Speisen verdaulicher zu machen. Gleichzeitig birgt der Vorgang aber auch erhebliche Gefahren: So kann beispielsweise hohes Fieber dazu führen, dass körpereigene Eiweiße denaturiert werden. Tritt dieser Vorgang ein, dann können sie ihre für den Organismus wichtigen bzw. lebensnotwendigen Aufgaben nicht mehr erfüllen.
Obwohl Fieber den Körper vor Fremdkörpern und Eindringlinge schützen soll, droht bereits ab einer Temperatur 42 Grad Celsius das Denaturieren der roten Blutkörperchen, was wiederum lebensbedrohlich werden kann.

Denaturierung von Protein
Von Scurran15 - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_Denaturation.svg

Nachweisreaktionen

Neben der UV-Absorption lassen sich Proteine auch anhand von zahlreichen Nachweisreaktionen detektieren.

Biuretreaktion

Dazu gehört beispielsweise die Biuretreaktion. Dies ist eine chemische Nachweisreaktion, die im Konkreten auf dem Nachweis der Peptidbindungen beruht. Der Nachweis erfolgt dabei photometrisch und die Grenze, bis zu welcher diese Nachweisreaktion noch funktioniert, liegt bei rund 1 – 10 Mikrogramm Protein pro Milliliter Flüssigkeit.
Bei der Nachweismethode selbst werden die Reaktionen von Eiweißen mit einer Kupfersulfatlösung sowie die von Biuret mit einer Kupfersulfatlösung verglichen.
Das Biuret komplexiert dabei mit zwei Molekülen ein Kupferkation. Durch die Ausbildung dieses Komplexes entsteht eine blau-violette Lösung.
Gleiches geschieht bei der Reaktion von Eiweißen mit zweiwertigen Kupferkationen. Die Nachweismethode beruht nun darauf, dass man davon ausgeht, dass die Kettenmoleküle der Proteine an ihren Stickstoffatomen der Aminogruppe mit den Kupfer(II)-Ionen (Cu 2+) ebenfalls derart farbige Komplexe ausbilden.

Biuretreaktion

Mit dieser Nachweisreaktion lassen sich beispielsweise problemlos Proteine in Milch, Casein oder Eiklar nachweisen.

Xanthoprotein-Reaktion

Eine Weitere mögliche Nachweisreaktion für Proteine ist die Xanthoprotein-Reaktion. Mit dieser Reaktion lassen sich primär die aromatischen Aminosäuren der Proteine, also die einen Benzolring enthalten, nachweisen. Dazu zählen beispielsweise L-Phenylalanin oder L-Tyrosin, welche beide beispielsweise in Käse und Milch vorkommen.
Gibt man nun Salpetersäure (HNO3) zu der Probelösung, dann findet – sofern sich darin Proteine mit aromatischen Aminosäuren befinden – eine Nitrierung des Benzolringes statt.
Wird die Lösung nun erhitzt, dann entsteht eine gelbliche Nitroverbindung. Dahinter steckt die Substitution eines Wasserstoffatoms durch die NO2-Gruppe aus der Salpetersäure.

Xanthoprotein-Reaktion

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