Proteinstruktur Biologie

Die vier Ebenen der Proteinstruktur

Die Struktur der Proteine kann in vier Abstufungen unterteilt und betrachtet werden. Diese werden – von der kleinsten zur größten geordnet – als Primärstruktur, Sekundärstruktur, Tertiärstruktur und Quartärstruktur bezeichnet. Wie Du gleich sehen wirst, bauen die einzelnen Strukturen dabei aufeinander auf.

Die Primärstruktur

Die niedrigste Strukturebene der Proteine ist die Primärstruktur. Die Primärstruktur beschreibt die Reihenfolge von Aminosäuren, die in einer langen Kette – auch Polypeptidkette genannt – aneinandergehängt sind.

Daher beschreibt die Primärstruktur der Proteine keine dreidimensionale Struktur sondern eher die Abfolge von Bausteinen, die eine lange Kette bilden.

Die Peptidbindung

Die Peptidbindung beschreibt die Art von Bindung, mit der Aminosäuren in der Polypeptidkette zusammengehalten werden. Aminosäuren bestehen alle aus demselben Grundgerüst: sie beinhalten eine Aminogruppe (-NH₂), eine Carboxygruppe (-COOH) und einen organischen Rest. Die Rest-Gruppe unterscheidet sich je nach Aminosäure und verleiht ihr jeweils charakteristische Eigenschaften.

In einer Peptidkette werden die einzelnen Aminosäuren so aneinandergehängt, dass die Aminogruppe der einen Aminosäure and die Carboxylgruppe der vorherigen Aminosäure gebunden wird. Bei der dabei ablaufenden Reaktion wird ein Wassermolekül frei und zwischen den Aminosäuren entsteht eine Peptidbindung.

Die Enden einer so entstehenden Kette werden dementsprechend als N-Terminus und C-Terminus bezeichnet. N-Terminus beschreibt das mit einer Aminogruppe aufhörende Ende und der C-Terminus endet mit einer Carboxylgruppe. Auch die Enden eines Proteins werden mit diesen Begriffen auseinandergehalten.

Die Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur der Proteine beschreibt die erste Stufe der räumlichen Anordnung von Abschnitten einer Polypeptidkette. Zwischen verschiedenen Stellen des Polypeptidrückgrats – genauer gesagt zwischen den Peptidbindungen – bilden sich dabei Wasserstoffbrücken aus.

Durch diese Wechselwirkungen innerhalb der Kette formt sie sich zu verschiedenen Strukturen. Die häufigsten Strukturen sind α-Helices und β-Faltblätter.

Die α-Helix Struktur

Die α-Helix beschreibt eine Struktur, bei der sich die Kette rechtsgängig in Form einer Helix windet. In jede Windung passen dabei durchschnittlich 3,6 Aminosäuren. Dadurch erreichen Windungen eine Länge – oder auch Ganghöhe – von etwa 0,54 Nanometern.

Eine seltenere Form der Helices, die in Sekundärstrukturen vorkommen sind beispielsweise π-Helices. Diese sind durch 4,4 Aminosäuren pro Windung charakterisiert.

Da sich die Kette innerhalb der Helix windet, kommt es dazu, dass sich Aminosäuren direkt unterhalb der Aminosäuren befinden, die sich in der Kette eigentlich vier Stellen weiter befinden. Zwischen diesen beiden Aminosäuren kann sich nun jeweils eine Wasserstoffbrückenbindung ausbilden und die Struktur der Helix stabilisieren.

Die ß-Faltblatt Struktur

Die dreidimensionale Struktur eines β-Faltblatts erinnert an ein Ziehharmonika-förmig gefaltetes Blatt. Die Peptidbindungen befinden sich dabei in der Ebene des Faltblatts, die organischen Reste hingegen stehen von den Faltkanten jeweils nach oben und unten ab.

Wie bei den Helices bilden sich zur Stabilisierung der Strukturen Wasserstoffbrücken aus, hier allerdings auf eine solche Art und Weise, dass sich die Faltblätter längs nebeneinander anordnen. Die Wasserstoffbrücken bilden sich in Zweiergruppen aus, wo sie einen Abstand von etwa 0,7 Nanometern zueinander haben.

Mehrere Faltblätter können außerdem anhand ihrer Ausrichtung zueinander beschrieben werden. Parallele Faltblätter sind genau gleich ausgerichtet, die Reste zeigen jeweils in dieselben Richtungen. Antiparallele Faltblätter hingegen sind genau entgegengesetzt zueinander angeordnet. Zeigt ein Rest bei einem Faltblatt nach oben, ist der Rest des benachbarten Faltblatts an derselben Stelle nach unten gerichtet.

Da sich die von der Faltebene abstehenden Reste in räumlicher Nähe zueinander befinden, können Strukturen gestört oder unterbrochen werden, wenn diese Reste zu groß sind. beta-Faltblätter beinhalten daher meist Aminosäuren mit eher kleinen Resten.

Sonstige Strukturen

Wird in der Proteinstruktur eine Wendung eingeleitet, ist oft eine Schleife im Einsatz. Dabei bilden sich Wasserstoffbrücken auf eine solche Weise aus, dass die Peptidkette eine Schlaufe vollziehen und somit eine komplette Richtungsänderung eingehen kann.

Abschnitte der Peptidkette, die sich nicht zu Faltblättern oder Helices anordnen, erscheinen als zufällig. Sie haben keine sich wiederholende spezifische Struktur, weshalb diese Teile auch als random coils (dt.: beliebige Windungen) bezeichnet werden.

Die Tertiärstruktur

Die Tertiärstruktur der Proteine ist ihrer Sekundärstruktur übergeordnet und beschreibt die dreidimensionale Anordnung eines Proteins. Sie entsteht durch Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten der verbauten Aminosäuren.

Da die organischen Reste meist zu den Seiten der bisher behandelten Sekundärstrukturen herausschauen, sind sie nun dazu fähig untereinander verschiedene Bindungen zu bilden und somit die bisher eingenommenen Strukturen zu einem Protein zu formieren.

Wechselwirkungen, die zur Ausbildung der Tertiärstruktur der Proteine eine Rolle spielen können, sind folgende:

• Disulfidbrücken: beschreiben eine kovalente Bindung zwischen Schwefelatomen. Cystein ist die einzige Aminosäure, die eine Disulfidbrücke ausbilden kann.
• Ionenbindungen: beschreiben die Anziehung zwischen Ionen mit positiven oder negativen Teilladungen.
• hydrophobe Wechselwirkungen: beschreibt den Hang von unpolaren Gruppen, sich zusammenzulagern, wenn sie sich in einer polaren Umgebung befinden.
• Wasserstoffbrücken: beschreiben die Wechselwirkung zwischen kovalent gebundenen Wasserstoffatomen und einem freien Elektronenpaar eines anderen Atoms. Kann nur durch polare Aminosäuren ausgebildet werden.

Diese Arten von Wechselwirkungen werden auch als intramolekular bezeichnet, da sie innerhalb ein- und desselben Moleküls stattfinden.

Oft zeigen nach der Faltung der Proteine in ihre Tertiärstruktur die polaren Gruppen nach außen und die unpolaren nach innen. Das kommt davon, dass das Zellmilieu wässrig ist. Wasser ist – wie bereits beschrieben – polar und verträgt sich daher nicht so recht mit unpolaren Gruppen. Daher kann man unpolare Gruppen auch als hydrophob (aus dem altgriechischen: wassermeidend) bezeichnen.

Um diese beiden Arten von Verbindungen nah zueinander zu packen, müsste daher sehr viel Energie aufgewendet werden. Diese Energie kann gespart werden, indem unpolare Gruppen räumlich vom polaren Medium getrennt und einfach in das Innere der Proteine gerichtet werden. Polare Gruppen vertragen sich hingegen gut mit Wasser, sind also hydrophil (wasserliebend) und können sich außen an Proteinen befinden.

Die Quartärstruktur

Die Quartärstruktur der Proteine beschreibt eine ähnliche Strukturebene wie die Tertiärstruktur. Im Gegensatz dazu wird mit der Quartärstruktur allerdings eher die Zusammensetzung mehrerer Untereinheiten zu einem Proteinkomplex beschrieben. Mehrere Proteine, die sich bereits in ihrer Tertiärstruktur befinden, setzen sich also zu einem Proteinkomplex und somit zu der Quartärstruktur eines Proteins zusammen.

Dabei können verschiedene Arten von Quartärstrukuren unterschieden werden:

• Homomere Proteine: Proteinkomplex besteht aus Untereinheiten mit identischen Polypeptidketten.
• Heteromere Proteine: Proteinkomplex besteht aus Untereinheiten mit unterschiedlichen Polypeptidketten.

Um die verschiedenen Untereinheiten eines Proteins zu einer Quartärstruktur zusammenzuhalten, sind dieselben Wechselwirkungen im Spiel wie für Tertiärstrukturen. Allerdings werden sie hier als intermolekulare Wechselwirkungen beschrieben, da sie zwischen verschiedenen Molekülen stattfinden.

Proteinstruktur – Faltung

Um ihre Proteinstruktur einnehmen zu können, haben Proteine verschiedene Möglichkeiten.

Natürliche Wechselwirkungen

Viele Proteine schaffen es ohne zusätzliche Hilfe ihre Struktur einzunehmen. Dabei kann es einerseits schon bei der Entstehung der Polypeptidkette zur Faltung kommen, wenn die Seitenketten der Aminosäuren miteinander in Wechselwirkung treten. Diese Art wird auch als hierarchische Faltung bezeichnet.

Andererseits kann es auch zum hydrophoben Kollaps kommen. Dabei befindet sich Proteine in einer polaren Umgebung und die hydrophoben Seitenketten tragen spontan zur Faltung des Proteinkomplexes und damit zur Ausbildung der Proteinstruktur bei.

Die Chaperone als Faltungshelfer

Sind Proteine sehr groß, kann es bei der Faltung der Struktur oft zu Fehlern kommen, die dann nicht nur die Proteinstruktur, sondern auch seine Funktion beeinflussen. Für solche Fälle gibt es sogenannte Chaperone.

Viele dieser Faltungshelfer gehören zu der Gruppe der Hitzeschockproteine (Hsp). Sie können Proteinen bei der Faltung helfen, indem sie bei der Synthese der Proteine an die Polypeptidkette binden, und dabei verhindern, dass sie vorzeitig eine ungewollte Struktur annehmen.

Andere Hsps haben Strukturen, die einem Fass mit Deckel ähneln. Polypeptidketten können in diese Struktur eingeschlossen werden, wo sie von ungewollten Einflüssen in der Zelle geschützt sind. Dort können sie ihre Faltung in Ruhe durchführen und die korrekte Proteinstruktur einnehmen. Sind Proteine schon zu falsch gefaltet, um sie noch zu verwerten, können Chaperone auch ihre Zersetzung herbeiführen. Auf diese Weise werden Prozesse in der Zelle vor falsch funktionierenden Proteinen geschützt.

Proteinstruktur – Funktion

Jedes Protein hat seine ganz spezielle Funktion, die fast ausschließlich von seiner Struktur abhängt. Je nachdem wie die Proteinstruktur aufgebaut ist, können Proteine an unterschiedliche Liganden binden, sich bewegen oder Reaktionen durchführen.

Motive in der Proteinstruktur

Die Proteinstruktur weist meistens einige Abschnitte auf, die sich im Protein wiederholen. Diese nennt man Motive. Einige Motive sind charakteristisch für die Funktion, die durch die entsprechenden Proteine ausgeführt werden soll.

Helix-Turn-Helix Motiv

Das wohl bekannteste Motiv der Proteine ist das Helix-Turn-Helix Motiv. Dabei ist eine α-Helix in einem Protein über eine Schleife mit einer weiteren α-Helix verbunden. Über die Schleife kann eine Richtungsänderung in der Proteinstruktur herbeigeführt werden.

Dieses spezielle Motiv ist dazu fähig, an eine DNA zu binden und charakterisiert daher viele Proteine, welche die Expression von Genen regulieren. Dafür erkennt die eine Helix eine bestimmte Sequenz der DNA und bindet daran, während die andere Helix die Struktur stabilisiert.

Nest Motiv

Das Nest Motiv ist typisch für Proteine, die Anionen binden.

Durch eine Anordnung der beteiligten Aminosäuren in einer Art Einhöhlung kann diese von einem Anion besetzt werden. Außerdem zeigen Wasserstoffgruppen von den Aminosäuren in diese Einhöhlung hinein, sodass das Anion durch Wasserstoffbrücken gebunden werden kann.

Proteinstruktur der Enzyme

Dafür haben sie eine Struktur, durch die sie an ganz bestimmte Proteine – ihre Substrate – binden können. Diese Substrate können dann von Enzymen chemisch verändert werden.

Oft benötigen Enzyme eine weitere Bindestelle, an die zusätzliche Moleküle binden können, die für die Aktivierung des Enzyms zuständig sind. In diesen Fällen kann ein Enzym seine Konformation – also seine Struktur – ändern und ist erst dann dazu fähig, sein Substrat zu binden. Durch die Veränderung ihrer Proteinstruktur können Enzyme also ihre Funktionalität beeinflussen.

Fehlfunktionen durch veränderte Proteinstrukturen

Wie sehr die Funktion der Proteine tatsächlich von ihrer Struktur abhängt wird dann am deutlichsten, wenn ein Fall betrachtet wird, in dem die Proteinstruktur eben nicht fehlerfrei aufgebaut ist.

Die Sichelzellkrankheit betrifft das Protein Hämoglobin und führt zu einer starken Verformung der roten Blutkörperchen von Plättchen zu sichelförmigen Gebilden. Die Sichelzellkrankheit kann zu Blutarmut führen und durch die verformten Blutkörperchen auch dazu, dass sich Blutkörperchen verklumpen und die Blutgefäße verstopfen.

Der Grund für diese Krankheit betrifft zunächst nur die Primärstruktur der Proteine: Durch eine Mutation wird genau eine Aminosäure einer der Untereinheiten vertauscht. Anstelle der Glutaminsäure wird an einer Stelle Valin in die Polypeptidkette eingebaut. Durch diese punktuelle Veränderung der Primärstruktur kommt es allerdings zu einer veränderten Interaktion zwischen Hämoglobin-Molekülen, wodurch sie eine faserige Struktur einnehmen. Als Folge dieser ausgetauschten Aminosäure ist dann sogar die Form und Funktionalität von Blutkörperchen betroffen.

Proteinstruktur – Denaturierung

Bei der Denaturierung eines Proteins wird seine Proteinstruktur grundlegend verändert und somit zerstört. Bisher vorhandene Sekundärstrukturen wandeln sich in random coils um und verhindern daher, dass sich korrekte Tertiär- oder Quartärstrukuren ausbilden können. Diese Veränderung der Struktur verhindert eine korrekte Funktion der betroffenen Proteine und macht sie im Grunde nutzlos.

Faktoren, die zu einer Denaturierung eines Proteins führen können sind:

• Temperaturänderungen
• pH-Wert Änderungen
• UV-Strahlung
• Chemische Substanzen (Salze, Säuren, Basen)
• Schwermetalle

Renaturierung der Proteinstruktur

Um ein Protein nach einer Denaturierung wieder funktionsfähig zu machen und die Proteinstruktur wiederzuerlangen (Renaturierung), müssen die denaturierenden Substanzen entfernt werden. Dadurch lässt sich die korrekte Proteinstruktur in manchen Fällen wieder herstellen. Das passiert dann meist durch spontane Rückfaltung.

Proteinstruktur – Ermittlung

Da Proteine zu klein sind, um ihre Struktur einfach unter einem Mikroskop zu betrachten, gibt es inzwischen viele Möglichkeiten für die Ermittlung einer Proteinstruktur.

Kristallstruktur-Analyse

Bei einer Kristallstruktur-Analyse werden Röntgenstrahlen verwendet, mit denen ein zuvor kristallisiertes Protein bestrahlt wird. Je nachdem welche Parameter und Eigenschaften der Strahl vor und nach der Analyse des Proteins hat, kann ermittelt werden, wie das Protein zusammengesetzt ist. Allerdings ist es schwer, die korrekte dreidimensionale Struktur des Proteins herauszufinden, da sich diese Struktur durch die Kristallisation verändern kann.

NMR-Spektroskopie

Die NMR-Spektroskopie hat den Vorteil, dass Proteine in ihrer natürlichen Umgebung und daher auch mit ihrer korrekten Struktur gemessen werden. NMR-Spektroskopie beruht auf quantenmechanischen Eigenschaften von Atomen. Für eine Analyse werden Proben einem Magnetfeld ausgesetzt. Daraufhin erhält man Signale, die dem Umfeld eines Atoms entsprechen. Man kann also herausfinden welche Nachbaratome ein Atom hat und demensprechend, welche Verbindungen in einem Molekül enthalten sind.

Strukturvorhersage

Oft wird eine Proteinstruktur heutzutage über künstliche Intelligenzen vorausgesagt. Diese nehmen sich Datenbanken als Vorlage, in die schon sehr viele Proteinstrukturen eingetragen sind. Hat das gesuchte Protein Übereinstimmungen der Aminosäuresequenz mit anderen Proteinen der Datenbank, wird ermittelt, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich diese Sequenzen gleich anordnen könnten. Da solche Datenbanken schon mit den Strukturen vieler Proteine gefüllt sind, werden Strukturvorhersagen immer zuverlässiger.