Proteine: Aufbau, Struktur, Gruppen der Aminosäuren

Besonders in der Biologie sind Proteine von besonderer Bedeutung. Beispielsweise bestehen die menschlichen Muskeln, Haare, Fingernägel, Haut und Knorpel überwiegend aus Proteinstrukturen. Proteine kommen in einer enormen Menge in unserem Körper vor: Mehr als die Hälfte unseres Gewichts machen Proteine aus, wenn man den Anteil von Wasser nicht miteinbezieht. Vor allem durch Fisch, Fleisch, Milchprodukte und Hülsenfrüchte nehmen wir Proteine zu uns.

Aufbau und Struktur der Aminosäuren

Die einzelnen Proteine bestehen chemisch betrachtet aus Aminosäuren. Die Struktur einer Aminosäure wird in Abbildung 1 schematisch gezeigt.

Man erkennt, dass am zentralen Kohlenstoffatom verschiedene Gruppen gebunden sind. Die Amingruppe ist blau markiert, die Carboxygruppe in Form einer Carbonsäure rot und der Rest, welcher in jeder Aminosäure eine andere Gruppe sein kann, ist lila markiert. Das Wasserstoffatom ist ebenfalls in jeder Aminosäure enthalten.

Wie der Name bereits verrät, ist die Carbonsäure der Aminosäure sauer, wohingegen die Amingruppe basisch ist. Da die Aminosäure diese beiden Gruppen in sich trägt, zeigt sie sowohl basisches als auch saures Verhalten – die Aminosäure ist also amphiprotisch.

Wird bei der Aminosäure ein Proton von der Carbonsäure an die Aminogruppe übergeben, liegt eine ionische Form vor – man spricht von einem Zwitterion, da sowohl eine positive als auch eine negative Partialladung auftritt.

Bei neutralem pH-Wert liegt das Gleichgewicht auf Seite des Zwitterions.

Peptidbindung und Polypeptide

Die Aminosäuren können mit anderen Aminosäuren Bindungen eingehen. Das geschieht durch eine Kondensationsreaktion, wobei die Amidgruppe einer Aminosäure an die Caboxygruppe einer anderen Aminosäure bindet. Dabei wird ein Wassermolekül als Kondensationsprodukt abgespalten. Die entstandene Bindung zwischen der Amingruppe und der Carboxygruppe ist eine Amidgruppe oder auch Peptidbindung genannt.

Die Amidgruppe ist blau markiert, auf den Seiten sind Restgruppen vorhanden. Die Bildungsreaktion der Peptidbindung ist in Abbildung genauer zu sehen:

Polypeptide bestehen aus einer Vielzahl an Aminosäuren, die über Peptidbindungen verknüpft sind. Durch die 22 verschiedenen Aminosäuren und den unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten gibt es eine fast unendliche Zahl an möglichen Polypeptidmolekülen.

Einteilung der Aminosäuren in Gruppen

Die Aminosäuren lassen sich in verschiedene Gruppen einteilen. So unterscheidet man beispielsweise zwischen polaren und unpolaren und zwischen aliphatischen, ungeladenen, positiv geladenen und negativ geladenen Aminosäuren. Außerdem können Aminosäuren auch einen aromatischen Teil ein sich tragen. In der folgenden Abbildung ist zu jeder Gruppe eine Aminosäure aufgeführt und benannt.

Die räumliche Struktur wurde bei dieser Abbildung nicht beachtet. In der Realität tritt eine tetraedische Struktur um das zentrale Kohlenstoffatom auf.