Biochemie
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Proteine sind wichtige Moleküle im Körper von Lebewesen. Ihren Aufbau und ihre zahlreichen Funktionen, erklären wir dir hier%oder direkt in unserem Video!

Was sind Proteine? 

Proteine (umgangssprachlich auch Eiweiße) sind Makromoleküle. In der Chemie und Biologie verstehst du darunter große Moleküle, die aus vielen kleineren Bausteinen (Monomeren ) zusammengesetzt sind — in unserem Fall: den Aminosäuren. Davon gibt es 20 verschiedene Typen, die sich aber in ihrem Grundaufbau ähneln. 

Die unterschiedlichen Aminosäuren liegen in einem Protein miteinander verknüpft vor und bilden lange Ketten. Deren Größe kann sich mächtig unterscheiden: So besteht Insulin nur aus 53 Aminosäuren, während das Muskelprotein Titin aus rund 27.000 Aminosäuren aufgebaut ist. 

Proteine erfüllen in deinem Körper viele lebenswichtige Aufgaben — wie Transport, Regulation (z.B. Hormone), Gerüstfunktion und Beschleunigung chemischer Reaktionen (Enzyme)

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Protein
Proteine Definition 

Proteine sind langkettige Polymere, die aus 20 unterschiedlichen Aminosäuren aufgebaut sein können. Sie gehören zu den grundlegenden Makromolekülen in lebenden Organismen. 

Proteine Aufbau 

Wie sind Proteine aufgebaut? Der Grundbaustein jedes Proteins ist die Aminosäure. Hier gibt es 20 verschiedene Typen, die sich jeweils nur in einer Seitenkette (oder Restgruppe R) voneinander unterscheiden. 

Die chemische Grundstruktur / der Aufbau einer Aminosäure sieht folgendermaßen aus:

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Grundstruktur Aminosäure

Jede Aminosäure hat: 

  • eine Aminogruppe (NH3+
  • eine Carboxylgruppe (COO
  • und eine variable Seitenkette / Rest R.

In einem Protein liegen die jeweiligen Aminosäuren miteinander verknüpft vor — und zwar durch eine chemische Bindung, die sogenannte Peptidbindung . Hier reagiert immer die Carboxygruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe der anderen. Dabei können lange Aminosäureketten entstehen. 

Merke: Genau genommen sprichst du erst ab einer Kette von mehr als 100 Aminosäuren von einem Protein. Sind zehn oder mehr Aminosäuren miteinander verknüpft, kannst du das entsprechende Molekül als Polypeptid bezeichnen. 

Proteine Struktur

Je nach Aufbau des Proteins ergibt sich immer eine bestimmte Struktur. Die Struktur eines Proteins umfasst dabei vier Ebenen: 

  • die Primärstruktur 
  • die Sekundärstruktur 
  • die Tertiärstruktur
  • und die Quartärstruktur

Hier bekommst du eine Übersicht der einzelnen Strukturebenen:

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Strukturebenen eines Proteins

Proteine Primärstruktur

Unter der Primärstruktur verstehst du die exakte Reihenfolge der jeweiligen 
Aminosäuren innerhalb eines Proteins. Die bezeichnest du auch als Aminosäuresequenz. Die Primärstruktur beschreibt allerdings nicht den räumlichen Aufbau eines Proteins. 

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Primärstruktur Protein

Die theoretische Anzahl an unterschiedlichen Proteinen ist gigantisch: Da es 20 verschiedene Aminosäuren gibt, hat ein Protein aus 150 Aminosäuren bereits 20150-Kombinationsmöglichkeiten seiner Monomere. Zum Vergleich: Das sind weit mehr als die Zahl an Elektronen im gesamten Universum. 

Proteine Sekundärstruktur

In der nächsten Ebene — der Sekundärstruktur — spielen zwischenmolekulare Kräfte eine Rolle: Zwischen bestimmten Bereichen der Aminosäuren (den CO-Gruppen und NH-Gruppen) können sich sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Das führt dazu, dass sich die lineare Aminosäurekette faltet. 

Hier gibt es vor allem zwei Möglichkeiten: 

  • die α-Helix: Hierbei handelt es sich um eine rechtsgängige Spirale. Sie ist also in derselben Richtung gewunden, wie du es von einer Holzschraube kennst. 
  • das β-Faltblatt: Hier legen sich Abschnitte der Aminosäurekette längs nebeneinander — die Kette ist also hin- und hergefaltet. 
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Sekundärstruktur Protein

Proteine Tertiärstruktur

Die Tertiärstruktur ist die räumliche Anordnung (Konformation) der gesamten Polypeptidkette. Sie macht also die vollständige dreidimensionale Gestalt aus. So ist das Protein zum Beispiel an vielen Stellen gebogen oder gefaltet. 

Das kommt zustande, indem die Reste (Seitenketten) der einzelnen Aminosäuren miteinander in Wechselwirkung treten. Hierbei sind einerseits zwischenmolekulare Kräfte , wie die Wasserstoffbrückenbindungen oder van-der-Waals-Kräfte, möglich. Andererseits können auch kovalente (Beispiel: Disulfidbrücken zwischen zwei Schwefelatomen) oder ionische Bindungen auftreten.

Merke: Die Sekundär- und die Tertiärstruktur eines Proteins leiten sich immer von der Primärstruktur — der Aminosäuresequenz — ab! Die Gestalt des Proteins ist also schon in der Primärstruktur festgelegt. 

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Tertiärstruktur Protein

Proteine Quartärstruktur

Viele funktionelle Proteine müssen sich zu einem großen Komplex zusammen lagern — die Gesamtheit nennst du Quartärstruktur

Konkret bedeutet das, dass viele Proteine nicht nur aus einer Polypeptidkette aufgebaut sind, sondern aus mehreren. Du nennst sie auch Untereinheiten. Jede Untereinheit besitzt dabei eine eigene Tertiärstruktur. Die Quartärstruktur ergibt sich dann aus der Art und Weise, wie sich die Untereinheiten aneinanderlagern.  

Ein bekanntes Beispiel für ein Protein mit Quartärstruktur ist der rote Blutfarbstoff Hämoglobin, der aus 4 Untereinheiten besteht.  

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Quartärstruktur Protein

Proteine Funktion

Jedes Protein besitzt einen einzigartigen Aufbau. Deshalb können sie vielfältige Aufgaben / Funktionen in deinem Körper und natürlich auch in allen anderen Lebewesen übernehmen. Hier haben wir wichtige Funktionen für dich aufgelistet: 

1. Enzyme 

Enzyme sind (meistens) Proteine, die biochemische Reaktionen in deinem Körper beschleunigen können. Sie spielen also eine zentrale Rolle im Stoff- und Energiewechsel, wie der Zellatmung

2. Strukturproteine 

Diese Proteinklasse dient als Gerüststoff in Geweben oder Zellen von Lebewesen. Meist sorgen diese Proteine dort für Stabilität. Beispiele dafür sind Kollagen in Knochen, Sehnen und Knorpeln oder Keratin als Bestandteil in Haaren und Nägeln. 

3. Transportproteine

Wie dir der Name bereits verrät, sind Transportproteine für den Transport von Stoffen im Körper zuständig. So sorgt Hämoglobin in den roten Blutkörperchen für den Sauerstofftransport im Blut. 

Auch Ionenkanäle und Carrierproteine in den Zellmembranen zählst du zu den Transportproteinen. Sie ermöglichen, dass Stoffe in die Zelle und wieder hinaustransportiert werden. 

4. Regulatorische Proteine 

Regulatorische Proteine spielen bei der Genregulation eine große Rolle. Sie können zum Beispiel den Zeitpunkt oder die Art und Weise der Genexpression  — also den Weg vom Gen zum Genprodukt –steuern. 

5. Abwehrproteine

Zu den Abwehrproteinen zählst du zum Beispiel Antikörper. Sie können fremde Strukturen (‚Eindringlinge‘) im Körper erkennen und versuchen, sie zu bekämpfen. So bist du beispielsweise vor einer Virusinfektion geschützt. 

6. Hormone

Hormone wie etwa Insulin aus der Bauchspeicheldrüse helfen dabei, wichtige Stoffwechselvorgänge in deinem Körper zu steuern und zu kontrollieren. Insulin ist zum Beispiel an der Regulation des Blutzuckerspiegels beteiligt. 

7. Speicherproteine

Speicherproteine sind sozusagen ‚Depots‘ für Aminosäuren, bis zu einer späteren Verwendung. Vor allem in Pflanzensamen kommen sie oft vor, um der keimenden Pflanze als Nährstoffquelle zu dienen. 

8. Motorproteine

Motorproteine wie Aktin und Myosin im Skelettmuskel sorgen für die Kontraktion (Zusammenziehen) der Muskeln und damit für Bewegung. 

Eigenschaften von Proteinen – Denaturierung 

Durch bestimmte äußere Einflüsse lassen sich die Wechselwirkungen innerhalb eines Proteins — also die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur —  lösen. Diesen Vorgang bezeichnest du als Denaturierung. Das erreichst du zum Beispiel durch Erhitzen, Bestrahlen oder Zugabe von Chemikalien, wie Säure. Das denaturierte Protein ist in der Regel funktionslos. 

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Denaturierung von Proteinen und Enzyme

Ein Beispiel hierfür ist die Denaturierung von Eiweiß in einem Hühnerei: Beim Kochen wird das Eiweiß fest, weil sich die Struktur der Proteine verändert. Hier ist die Denaturierung irreversibel — der flüssige Zustand kann also nicht wiederhergestellt werden. Denaturierung kommt aber nicht nur bei Proteinen vor.

Welches andere wichtige Biomolekül davon betroffen sein kann, erfährst du im Video dazu!

Zum Video: Denaturierung
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Nachweis von Proteinen

Es gibt zahlreiche Reaktionen, um Proteine nachzuweisen. Hier haben wir dir zwei bekannte Nachweisreaktionen aufgelistet: 

  • Xanthoproteinreaktion (xanthos = gelb): Hier gibst du konzentrierte Salpetersäure zu der Testsubstanz hinzu. Sind aromatische Aminosäuren wie Tyrosin enthalten, kannst du eine Gelbfärbung beobachten. 
  • Biuretreaktion: Mit dieser Reaktion kannst du Peptidbindungen nachweisen. Nach Zugabe von Natronlage und ein wenig Kupfersulfat-Lösung kannst du eine violette Färbung erkennen — vorausgesetzt, es sind Peptidbindungen vorhanden. 

Proteinbiosynthese 

Wenn du zum Beispiel ein Stück Käse oder einen Jogurt isst, nimmst du Proteine mit der Nahrung auf. Sie werden dann in deinem Körper verdaut — also zu Aminosäuren zerlegt. In den „Proteinproduktionsmaschinen“ in deinen Zellen, den Ribosomen, kann dein Körper daraus wieder Proteine herstellen — und zwar die, die er gerade benötigt. Den Vorgang nennst du Proteinbiosynthese

Beispielsweise produziert dein Körper dabei ein Enzym, das einen Farbstoff herstellt, der deine Augenfarbe bestimmt. 

Der Bauplan der benötigten Proteine ist in deinem Erbgut – der DNA – in verschlüsselter Form enthalten. Aber wie kann der ‚genetische Code‘ geknackt werden? Den Weg von der DNA zum fertigen Protein, erklären wir dir Schritt für Schritt im nächsten Video!

Zum Video: Proteinbiosynthese
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