Peptidbindung und Strukturebenen der Proteine
Wie Aminosäuren über Peptidbindungen zu Ketten verknüpft werden und welche Kräfte Sekundär- und Tertiärstruktur eines Proteins zusammenhalten.
Das Wichtigste in Kürze
- Proteine sind unverzweigte Ketten aus Aminosäuren, die über Peptidbindungen verknüpft sind und sich in Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur ordnen.
- Die Peptidbindung ist eine Säureamidbindung \(\ce{-CO-NH-}\) aus einer Kondensation. Die C-N-Bindung ist durch partiellen Doppelbindungscharakter planar und nicht frei drehbar.
- Die Primärstruktur ist die Aminosäuresequenz, geschrieben vom N- zum C-Terminus. Sie bestimmt alle höheren Strukturebenen mit, auch die Quartärstruktur.
- α-Helix und β-Faltblatt werden durch Wasserstoffbrücken zwischen N-H und C=O des Rückgrats stabilisiert. In der Helix verbindet die Brücke Rest \(n\) mit \(n+4\), Faltblattstränge liegen parallel oder antiparallel.
- Die Tertiärstruktur einer Kette halten Disulfidbrücken (nur Cys), Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen (Leu, Val, Ile) zusammen.
- Ein Donor trägt H an N oder O, ein Akzeptor besitzt ein freies Elektronenpaar an N oder O. Die Carbonylgruppe ist nur Akzeptor.
Worum es geht
Proteine sind unverzweigte Ketten aus Aminosäuren, die sich zu einer festen Raumgestalt falten. Die Verknüpfung der Kette und die Kräfte hinter der Faltung erklären, warum ein Peptidhormon wie Insulin wirkt und warum Enzyme beim Erhitzen ihre Funktion verlieren.
Peptidbindung
Eine Peptidbindung verknüpft die Carboxygruppe einer Aminosäure mit der α-Aminogruppe der nächsten. Chemisch ist sie eine Säureamidbindung \(\ce{-CO-NH-}\). Sie entsteht durch Kondensation, also unter Abspaltung von Wasser:
\[\ce{H2N-CH(R1)-COOH + H2N-CH(R2)-COOH -> H2N-CH(R1)-CO-NH-CH(R2)-COOH + H2O}\]
Alle Peptide und Proteine sind so gebaut, vom Peptidhormon Insulin bis zum Verdauungsenzym α-Amylase. Esterbindungen \(\ce{-CO-O-}\) verknüpfen dagegen Fettsäuren mit Glycerol, und glykosidische Bindungen halten Zucker in Disacchariden zusammen. Im Proteinrückgrat kommen beide nicht vor.
Die Peptidgruppe ist planar. Das freie Elektronenpaar des Stickstoffs ist mit der C=O-Bindung mesomer delokalisiert. Die C-N-Bindung erhält dadurch partiellen Doppelbindungscharakter und ist nicht frei drehbar. Drehbar bleiben nur die Bindungen zum α-C-Atom.
Jede Aminosäure wird nur über ihre α-Amino- und ihre α-Carboxygruppe eingebaut. Deshalb ist das Rückgrat ribosomal gebildeter Proteine unverzweigt, und die Seitenketten hängen seitlich daran. In einer Strukturformel erkennst du die Peptidbindung am Carbonyl-C, das direkt an ein N-H der Kette gebunden ist. In einer Dipeptid-Wiederholungseinheit liegt diese Gruppe zwischen zwei α-C-Atomen mit je einer Seitenkette. Sitzt zwischen Carbonyl-C und nächstem C ein Sauerstoff, liegt ein Ester vor.
Primärstruktur
Die Primärstruktur ist die Reihenfolge der Aminosäuren in der Kette, also ihre Sequenz. Die bloße Zahl der Bausteine beschreibt sie nicht. Zwei Peptide aus denselben drei Aminosäuren in anderer Reihenfolge sind verschiedene Stoffe. Jede Kette hat zwei Enden: Am N-Terminus steht die freie α-Aminogruppe, am C-Terminus die freie α-Carboxygruppe.
Sequenzen schreibt man immer vom N- zum C-Terminus. Üblich ist der Drei-Buchstaben-Code (Ser-Val-Cys) oder der Ein-Buchstaben-Code (SVC). Ser-Val-Cys ist also ein anderes Peptid als Cys-Val-Ser.
Wird im Examen gerne gefragt: Die Primärstruktur ist die Sequenz, nicht die Anzahl der Aminosäuren, und sie wird immer vom N- zum C-Terminus gelesen. Beim Ablesen aus einem Modell bestimmst du deshalb zuerst den N-Terminus und erst dann die Seitenketten.
Die Sequenz legt fest, wie sich die Kette falten kann. Sie bestimmt damit alle höheren Ebenen mit: Sekundär-, Tertiär- und auch Quartärstruktur, die Zusammenlagerung mehrerer Ketten. Deshalb lässt sich ein Enzym über seine Aminosäuresequenz eindeutig charakterisieren.
Sequenz aus einem Modell ablesen
In einem Stab- oder Kugel-Stab-Modell gehst du so vor:
- N-Terminus suchen: Das Kettenende mit freier Aminogruppe, deren N an keinem Carbonyl-C hängt, ist der Anfang.
- Rückgrat verfolgen: Das Rückgrat wiederholt die Folge N, Cα, C=O. Jedes Cα steht für eine Aminosäure.
- Seitenketten bestimmen: Der Rest am jeweiligen Cα verrät die Aminosäure.
- Bis zum C-Terminus lesen: Die Namen in dieser Reihenfolge notieren. Das letzte Cα trägt die freie Carboxygruppe mit zwei O-Atomen.
| Rest am Cα | Merkmal im Modell | Aminosäure |
|---|---|---|
| nur H | kein Rest | Gly |
| \(\ce{-CH3}\) | eine einzelne C-Kugel | Ala |
| \(\ce{-CH2OH}\) | rote O-Kugel am Rest | Ser |
| \(\ce{-CH2SH}\) | gelbe S-Kugel | Cys |
| \(\ce{-CH(CH3)2}\) | verzweigter Rest aus drei C | Val |
| \(\ce{-CH2-C6H5}\) | Sechsring | Phe |
Im Beispiel der Abbildung liegt der blaue Stickstoff des N-Terminus links. Der erste Rest trägt eine OH-Gruppe (Ser), der zweite eine Isopropylgruppe (Val), der dritte eine gelbe Schwefelkugel (Cys). Die Sequenz lautet Ser-Val-Cys. Ebenso erkennst du etwa Gly-Cys-Phe am fehlenden Rest, an der S-Kugel und am Ring.
Sekundärstruktur
Die Sekundärstruktur beschreibt regelmäßige Faltmuster des Rückgrats in kurzen Abschnitten. Sie entsteht vor allem durch Wasserstoffbrücken zwischen den N-H- und C=O-Gruppen der Peptidbindungen. Die Seitenketten entscheiden nur, welches Muster begünstigt ist. Die beiden wichtigsten Muster sind α-Helix und β-Faltblatt.
- Kette windet sich zu einer rechtsgängigen Schraube
- C=O der Aminosäure \(n\) bindet an N-H der Aminosäure \(n+4\)
- Brücken innerhalb desselben Abschnitts, parallel zur Achse
- Seitenketten zeigen nach außen
- gestreckte Abschnitte (Stränge) liegen nebeneinander
- Stränge laufen parallel oder antiparallel
- Brücken quer zwischen benachbarten Strängen
- Seitenketten abwechselnd über und unter der Ebene
Eine einzelne Wasserstoffbrücke ist schwach. Erst die vielen gleichartigen Brücken entlang des Rückgrats machen das Muster stabil, so wie ein Reißverschluss aus vielen kleinen Zähnen hält. Auch das β-Faltblatt hält über diese Brücken zusammen und nicht in erster Linie über van-der-Waals- oder π-π-Kräfte. Kovalente Bindungen wie Disulfidbrücken, Ionenbindungen und apolare Kräfte gehen von den Seitenketten aus. Sie gehören deshalb vor allem zur nächsten Ebene.
Sekundärstruktur: Wasserstoffbrücken des Rückgrats. Tertiärstruktur: Wechselwirkungen der Seitenketten.
Tertiärstruktur
Die Tertiärstruktur ist die vollständige räumliche Gestalt einer einzelnen Polypeptidkette. Helices und Faltblätter packen sich dabei zu einem kompakten Gebilde. Lagern sich mehrere Ketten zusammen, entsteht die Quartärstruktur. Die Gestalt jeder einzelnen Kette bleibt Tertiärstruktur.
Getragen wird sie vor allem von den Seitenketten. Besonders prüfungsrelevant ist die Zuordnung: Disulfidbrücken bildet nur Cystein, während Leu, Val und Ile allein über hydrophobe Wechselwirkungen beitragen.
| Wechselwirkung | Beteiligte Gruppen | Typische Aminosäuren | Art |
|---|---|---|---|
| Disulfidbrücke | zwei Thiolgruppen \(\ce{-SH}\) | Cys | kovalent |
| Ionenbindung (Salzbrücke) | \(\ce{-COO-}\) und \(\ce{-NH3+}\) | Asp, Glu mit Lys, Arg | elektrostatisch |
| Wasserstoffbrücke | Donor und Akzeptor | Ser, Thr, Asn, Gln | nichtkovalent |
| hydrophobe Wechselwirkung | unpolare Alkyl- und Arylreste | Leu, Val, Ile, Phe | nichtkovalent |
Eine Disulfidbrücke entsteht, wenn zwei Cystein-Seitenketten oxidiert werden:
\[\ce{2 R-SH -> R-S-S-R + 2 H+ + 2 e-}\]
Als einzige der vier Wechselwirkungen ist sie kovalent und daher besonders stabil. Insulin etwa verbindet seine zwei Ketten über Disulfidbrücken.
Die Seitenketten von Leu, Val und Ile sind reine Kohlenwasserstoffreste. Sie sind ungeladen und enthalten keinen Schwefel. Ihr einziger Beitrag ist daher die hydrophobe Wechselwirkung. Im wässrigen Milieu sammeln sie sich im Inneren des Proteins, ähnlich wie Öltropfen in Wasser zusammenfließen. Anhydridbindungen, wie sie im ATP vorkommen, haben für die Faltung keine Bedeutung.
Wasserstoffbrücken-Donoren und -Akzeptoren
Ob eine Gruppe eine Wasserstoffbrücke bilden kann, hängt von ihrer Rolle ab.
Ein Wasserstoffbrücken-Donor trägt ein H-Atom an einem stark elektronegativen Atom wie N oder O. Ein Wasserstoffbrücken-Akzeptor ist ein elektronegatives Atom mit freiem Elektronenpaar, das dieses H anzieht.
An einer Strukturformel prüfst du also zwei Fragen: Sitzt H an N oder O? Gibt es ein O oder N mit freiem Elektronenpaar?
- Hydroxygruppe \(\ce{-OH}\) (Ser, Wasser): Donor und Akzeptor
- N-H der Peptidbindung oder eines Amins: Donor, das N mit freiem Paar zusätzlich Akzeptor
- Carbonylgruppe \(\ce{C=O}\): nur Akzeptor
- tertiäres Amin \(\ce{R3N}\) oder Ether-O: nur Akzeptor
- C-H: kein Donor, weil C kaum elektronegativer als H ist
Carbonylgruppen wirken als Akzeptoren in Proteinen wie in Nucleinsäuren. Dort tragen sie die Basenpaarung mit.
Quiz
Aussage 1
Die Aminosäuresequenz eines Proteins bestimmt auch seine Quartärstruktur mit.
Die Sequenz legt die Faltung fest und beeinflusst damit alle höheren Ebenen, also Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.
Aussage 2
Um die C-N-Bindung der Peptidgruppe kann die Kette frei rotieren.
Durch Mesomerie hat die C-N-Bindung partiellen Doppelbindungscharakter. Die Peptidgruppe ist planar, frei drehbar sind nur die Bindungen zum α-C-Atom.
Aussage 3
Eine Carbonylgruppe kann als Wasserstoffbrücken-Akzeptor wirken, aber nicht als Donor.
Der Sauerstoff besitzt freie Elektronenpaare, trägt aber kein H-Atom an N oder O.
Aussage 4
Die Peptidbindung ist eine Säureamidbindung, die unter Abspaltung von Wasser entsteht.
Carboxygruppe und α-Aminogruppe kondensieren zur Gruppe \(\ce{-CO-NH-}\), dabei wird \(\ce{H2O}\) frei.
Aussage 5
Valin trägt zur Tertiärstruktur bei, indem seine Seitenkette Salzbrücken mit Lysin bildet.
Die Seitenkette von Valin ist ein ungeladener Kohlenwasserstoffrest. Valin wirkt nur über hydrophobe Wechselwirkungen, Salzbrücken bilden z. B. Asp oder Glu mit Lys.
Aussage 6
In der α-Helix bildet die C=O-Gruppe einer Aminosäure eine Wasserstoffbrücke zur N-H-Gruppe der vier Positionen weiter liegenden Aminosäure.
Die Brücken verlaufen von Rest \(n\) zu Rest \(n+4\) parallel zur Helixachse und stabilisieren die Helix.
Aussage 7
Die Primärstruktur eines Proteins gibt an, aus wie vielen Aminosäuren es aufgebaut ist.
Die Primärstruktur ist die Reihenfolge der Aminosäuren. Peptide gleicher Länge und Zusammensetzung mit anderer Sequenz sind verschiedene Stoffe.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.