Biomoleküle in

Überlegen wir mal, wieviele verschiedene Stoffe bei der Besprechung der Zellbestandteile vorkamen? Und welche waren die wichtigsten?

Sicherlich sind die Nährstoffe mit am wichtigsten. Allgemein für Organismen werden folgende Stoffe Hauptnährstoffe genannt:

Wir wollen uns nun mit den Proteinen als eine für Zellen wichtige Stoffgruppe beschäftigen.

Testen Sie sich selbst! Was wissen Sie bisher über Proteine?

	Wo werden in der Zelle Eiweiße hergestellt?
	Am Aufbau welcher Zellstrukturen sind Proteine beteiligt?
	Welche Aufgaben haben Proteine in der Zelle?
	Welche Proteine kennen Sie eventuell aus der Werbung oder aus der Ernährung?

Nach der Beantwortung dieser Fragen wird einem klar, dass Proteine wesentlich zum Aufbau und Funktionieren einer Zelle beitragen. Nachfolgend soll der Aufbau und die Funktion der Proteine besprochen werden.

Ein paar kleine Tests geben Auskunft, aus welchen Elementen Proteine bestehen:

Da Proteine organische Stoffe sind, müssen ebenfalls Kohlenstoff, Wasserstoff und eventuell Sauerstoff enthalten sein.

Der Nobelpreisträger LinusPauling hat 1951 wesentlich zur Aufklärung der räumlichen Struktur der Eiweiße beigetragen. Sie gelang mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse, bei der ein Kristall des zu untersuchenden Stoffes gezüchtet wird, der dann mit Röntgenstrahlen durchleuchtet wird. Diese werden charakteristisch an den Atomen gebeugt. Aus der Ablenkung der Strahlen werden die räumliche Struktur und die Atompositionen errechnet. Danach kann man heute mit dem Computer ein Modell des Moleküls erzeugen.

Proteine bestehen aus Makromolekülen ( = Riesenmoleküle). Solche Moleküle sind immer aus sich wiederholenden Bausteinen aufgebaut wie z. B. eine Perlenkette.

1.2.2 Struktur und Einteilung von Aminosäuren

Um sich miteinander verbinden zu können, benötigen die Bausteine sozusagen 2 "Bindearme":

Die Proteinmoleküle entsprechen der Kette mit verschiedenen Bausteinen. Die "Bindearme" sind spezielle funktionelle Gruppen.
Interessanterweise hat man bei der Untersuchung von Proteinen, egal aus welchem Organismus immer nur 20 verschiedene Bausteine gefunden. Diese heißen Aminosäuren. Sie haben alle eine typische Struktur.

Die allgemeine Formel ist rechts abgebildet. Ein solches Molekül bildet einen Baustein eines Proteins. Im Molekül sind 2 funktionelle Gruppen zu sehen: die Carboxylgruppe -COOH und die Aminogruppe -NH₂. Mit diesen Gruppen wird die Verbindung zu den anderen Bausteinen geknüpft. Dabei verbindet sich die Carboxylgruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe der anderen. Die Bindung heißt Peptidbindung. Die Reste sind bei den 20 biologisch wichtigen Aminosäuren verschieden.

Die oben abgebildete Formel wird der tatsächlichen räumlichen Struktur nicht gerecht. Die 4 Bindungen am C-Atom sind tatsächlich in die Ecken eines Tetraeders (Pyramide mt 4 Flächen) gerichtet. Da dies schwer darzustellen ist, benützt man obige Form.

Von den 20 Aminosäuren haben wiederum ca. 5 besondere Bedeutung für die Zelle. Wir werden Ihnen später öfters begegnen. Dies sind die Aminosäuren Alanin, Cystein, Glutaminsäure, Cystein und Phenylalanin die in 3 Formen dargestellt sind:

1. in der normalen Fischer-Projektion oben
2. in einer reduzierten Form nur mit funktionellen Gruppen und dem Rest
3. einem 3D Ball-und Stick-Modell

Phenylalanin (Phe) C9H11NO2

Cystein (Cys) C3H7NO2S

Man sollte sich die normale Form merken. Die reduzierte Form eignet sich gut , wenn die Aminosäuren als Bausteine in einer Kette dienen.

Die Summenformeln braucht man sich nicht zu merken, sehr wohl jedoch die Abkürzungen Ala, Gly, Glu, Cys, Phe.

So läßt sich natürlich leicht eine Kette darstellen z.B. Cys-Glu-Ala-Phe-Gly. Man nennt ein solches Molekül ein Peptid.

Alle Aminosäuren sehen Sie auf folgender Abbildung:

Abb. 1

Proteine

Abb. 2

Linus Pauling

Abb. 3

Kristall von Lysozym

Kristallogramm von Lysozym

Abb. 4

CCD Diffraktometer

Gerät für die Röntgenstrukturanalyse

Betrachtet man die 20 Aminosäuren, fallen einem Gemeinsamkeiten auf:

• alle haben die Aminogruppe am 2. C-Atom ( a-C-Atom)
• das 2. C.Atom hat 4 verschiedene Substituenten (= asymmetrisch)
• Prolin ist keine Aminosäure sondern eine Iminosäure, da es keine Aminogruppe sondern eine Iminogruppe hat.

3D-Animation aller 20 Aminosäuren: Um bei den nachfolgenden Adressen alle Moleküle und Animationen sehen zu können, benötigt man meist einen Molekular-Viewer wie RASMOL, CHIME (Plugin für Netscape) oder MAGE. Diese können kostenlos heruntergeladen werden. Tips dazu auf der Chemieseite meiner Homepage! Möchten Sie die Aminosäuren in einer tollen 3D-Animation untersuchen, gehen Sie zu: http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/AAViewer/AAVFrameset.htm Weitere umfangreiche Quellen sind folgende Adressen mit allem Wichtigen zu Aminosäuren http://128.122.10.5/aainfo/struct.htm http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/course/section2/AminoAcid/overview.html

Neben den in Proteinen vorkommenden Aminosäuren gibt es auch noch andere für Zellen wichtige Aminosäuren, z.B.

GABA = g-Amino-Buttersäure, ein Neurotransmitter (Info-Überträgerstoff im Nervensystem) siehe Abb. 8

Ornithin = spielt beim Aminosäureabbau eine Rolle Abb. 9 oder

Thyroxin = Schilddrüsenhormon, Abb. 10.

2,6-Diaminopimelinsäure = in Bakterienzellwänden von z.B. E.Coli (Gram -)

Im nächsten Kapitel lernen wir nun die wichtigste Eigenschaft der Aminosäuren kennen.

Abb. 8

GABA

g-Amino-Buttersäure (4-Amino-Butansäure)

 

Abb. 9

Ornithin

Abb. 10

Thyroxin