Proteine

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Allgemeine Funktionalität[Bearbeiten]

Hinsichtlich der Funktionalität unterscheidet man:

a) Strukturproteine (z.B. \alpha-Keratin des Haares, Kollagen und Elastin). Sie sind in allen Geweben zu finden (Muskel, Knochen, Haut, innere Organe, Zellmembranen und Zellorganellen) und weisen eine fasrige Struktur auf.

und

b) biologisch aktive Proteine

  • Enzyme (ca. 2000 bekannt)
  • Hormone (Insulin oder Serotonin)
  • kontraktile Proteine (Myosin, Aktin, Tubulin)
  • Transportproteine (Hämoglobin, Myoglobin)
  • Schutzproteine (Immunglobuline, Fibrinogen, Thrombin)
  • Speicherproteine (Ovalbumin)
  • toxische Proteine (Botulinusgift)

Sie sind aber auch an der Übertragung und Erzeugung von Nervenimpulsen sowie an der Wachstums- oder Differenzierungskontrolle beteiligt.

Kurz gesagt mischen Proteine eigentlich überall mit.

In vielen Zellen werden Proteine als direkte Antwort auf Umwelteinflüsse gebildet bzw. abgebaut. Da Proteine Stickstoff und Schwefel enthalten sind sind die Reserven des Körpers von der Zufuhr durch Nahrung abhängig.

Lebensmittelproteine[Bearbeiten]

Lebensmittelproteine besitzen verschiedene Funktionen. Sie liefern Bausteine für die Proteinbiosynthese, sind Vorläufer für Geschmacks-, Aroma- und Farbstoffe. Ebenso besitzen sie funktionelle Eigenschaften, wie z.B. Schuambildung und Stabilisierung von Teigen, sowie deren Quellung. Auch enzymatische Reaktionen sind für die Herstellung unerlässlich.

Zusammensetzung[Bearbeiten]

Grundbausteine der Proteine sind die Aminosäuren. Genauergesagt die \alpha-AS. Aus etwa 20 verschiedenen Aminosäuren sind die Proteine zusammengesetzt. Die Anordnung der AS ist entscheidet über Struktur und Funktion(alität) der Proteine.

AS-Grundstruktur.png

\alpha-AS weil sich die Aminosäuregruppen am \alpha-Kohlenstoffatom befinden. Der Rest R ist wie man später sehen wird sehr ausschlaggebend bei den WW der AS in einer Peptidkette bzw. genauergesagt bei der Faltung der Proteine.
Bei allen Aminosäuren (außer Glycin, hier ist R = H) handelt es sich bei dem \alphaC-Atom um ein sog. asymmetrisches C-Atom, das heißt, dass diese Aminosäuren optisch aktiv sind.
Meistens werden nur L-Aminosäuren in Proteine eingebaut. Nach Cahn-Ingold-Prelog handelt es sich hierbei um S-Konfiguration. (Ausnahme ist Cystein mit einer R-Konfiguration).
D-Aminosäuren sind i.d.R. mikrobiellen Ursprungs, sie sind häufig Bestandteile der mikrobiellen Zellwand.
Sie kommen aber auch in Milch oder in fermentierten Lebensmitteln, wie Joghurt oder Käse, vor.
Bei einer Alkalisierung oder Erhitzung von Lebensmitteln kommt es zu einem starken Anstieg von D-AS.
Aminosäuren wir L-Asparaginsäure racemisiert relativ schnell, während L-Leucin, und L-Prolin nur schwer in die D-Form übergehen.

Aminosäuren[Bearbeiten]

Je nach dem wie der Rest R einer Aminosäure aussieht können die AS in unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden: Teilweise habe ich einige Beispiele genannt, wo diese AS zu finden sind, sie beschränken sich aber nicht nur auf das Beispiel.

Neutrale, aliphatische Aminosäuren[Bearbeiten]

Hierzu gehören die Aminosäuren Glycin (Gly), Alanin (Ala), Valin (Val), Leucin (Leu) und Isoleucin (Ile).

Neutrale-aliphatische-AS.png

Je nach Protein kann es bevorzugt zu Verwendung bestimmter Aminosäuren kommen. Glycin ist relativ häufig in Kollagen zu finden. Glycin und Alanin erlauben aufgrund ihrer sehr kurzen Seitenketten ein große Annäherung im Protein.

Alle neutralen Aminosäuren sind an den hydrophoben Wechselwirkungen des Proteins beteiligt.
Valin, Leucin und Isoleucin sind Vorläufer sog. Fuselalkohole in Spirituosen, die während der Hefegärung gebildet werden.

Sonderfall: Prolin[Bearbeiten]

Prolin (Pro) ist die einzige As, die eine sekundäre Aminogruppe aufweist. Es handelt sich hier also eigentlich um eine Iminosäure. Sie beeinflusst stark den Aufbeu eines Proteins, da sie stärker eingeschränkt ist als andere AS. Sie gilt als sog. Helixbrecher.

Sonderfall-Prolin.png

Aromatische Aminosäuren[Bearbeiten]

Aromatische Aminosäuren zeigen eine deutliche UV-Absorption bei 280 nm. Dies ermöglicht eine leichte Detektion nach chromatischer Auftrennung.
Zu dieser Gruppe gehören Phenylalanin (Phe), Tyrosin (Tyr) und Tryptophan (Trp).
Neben den neutralen AS sind auch Phe und trp an den hydrophoben WW beteiligt. Tyr ist ein Vorläufermolekül wichtiger Neurotransmitter (Noradrenalin und Adrenalin) als auch von dem Hautpigment Melanin. Es kann im Körper aus Phe synthetisiert werden.

Aromatische-AS.png

Schwefelhaltige Aminosäuren[Bearbeiten]

Zu den schwefelhaltigen As gehören Cystein (Cys) und Methionin (Met).

Schwefelhaltige-AS.png

Cystein spielt eine wichtige Rolle bei der Quervernetzung/Faltung der Proteine, da es aufgrund der Thiolgruppe Disulfidbrücken ausbilden kann. Es kann oxidiert werden, wobei das Dimer Cystin entsteht.

Cystin.png

Methionen ist ebenfalls leicht oxidierar und ist neben Cystein an der Bildung vieler Aromastoffe beteiligt. (Bsp: Der Kochgeschmack in Milch)

Aminosäuren mit aliphatischen Hydroxylgruppen[Bearbeiten]

Zu dieser Gruppe gehören Serin (Ser) und Threonin (Thr).Beide AS sind sehr reaktiv und hydrophil.
Häufig wird hier Phosphoryliert (z.B. Casein). Ser häufig im aktiven Zentrum (z.B. serinprotease). Sowohl Ser als auch Thr sind an Vernetzungs- und Radikalreaktionen beteiligt.

AS-aliphatische-OH.png

Aminosäuren mit basischen Seitengruppen[Bearbeiten]

Zu den Aminosäuren mit basischen Seitenketten zählen Lysin (Lys), Arginin (Arg) und Histidin (His).
Über ihre geladenen Seitenketten sind sie an elektrostatischen WW beteiligt.
Lys und Arg sind weiterhin an der Maillard-Reaktion und an Vernetzungsreaktionen beteiligt. Bei neutralem pH-Wert liegen sie positiv geladen vor.
His ist häufig im aktiven Zentrum zu finden. Je nach pH-Wert liegt es dort geladen oder ungeladen vor. Es kommt zu schnellen Umschaltungen im Imidazolring.

AS-basische-SK.png

Aminosäuren mit sauren Seitengruppen[Bearbeiten]

Last but not least noch die Aminosäuren mit sauren Seitenketten. Hierzu gehören Aspartat (Asp), Glutamat (Glu), Asparagin (Asn) und Glutamin (Gln).
Auch die sauren Seitenketten liegen je nach pH-Wert geladen oder ungeladen vor, sie sind somit ebenfalls an den elektrostatischen WW innerhalb des Proteins beteiligt.

AS-saure-SK.png

Asn und Glu sind an ionischen Vernetzungen beteiligt.
Die Aminosäure Asn ist wohl an der Bildung von Acrylamid beteiligt.
Na-Glu wird häufig als Geschmacksverstärker eingesetzt. Wenn kein Na-Glu auf der Verpackung in der Zutatenliste enthalten ist, sollte man evtl nach Hefeextrakt kucken. Hefeextrakt enthält relativ viel Na-Glu es heißt eben nur anders.^^


Essentielle Aminosäuren[Bearbeiten]

Manche Aminosäuren (etwa 10 von 20) können vom Körper synthetisiert werden. Die die der Körper nicht selber synthetisieren kann werden als essentiell bezeichnet, da der Körper von der Aufnahme über die Nahrung angewiesen ist.

Essentiell[Bearbeiten]

Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin zählen zu den essentiellen Aminosäuren.
Bei Kindern und Säuglingen zählt auch Arginin zu den essentiellen AS, da der Körper noch nicht vollentwickelt ist und so kein Arg. synthetisieren kann.
Essentielle AS sollten in einem gewissen Verhältnis über die Nahrung aufgenommen werden. Haben Nahrungsmittel einen hohen Gehalt an essentiellen AS steigt die ernährungsphysiologische Qualität eines Lebensmittels.
Die größte ernährungsphysiologische Wertigkeit haben beispielsweise Hühnereier.


Unter Umständen essentiell[Bearbeiten]

Manche AS sind unter bestimmten Bedingungen essentiell. Meist kommt es in Kombination mit Krankheiten zu einer verminderten oder gestörten Aufnahme von bestimmten AS.

Tyrosin wird beispielsweise ausschließlich aus der AS Phenylalanin durch Hydroxylierung gebildet. Bei einer genetisch bedingten Krankheit die Phenylketonurie genannt wird kommt es zur Störung des Phenylalaninstoffwechsels. Das Enzym welches für die Umwandlung von Phe in Tyr verantwortlich ist (die Phenylalaninhydrolase) fehlt vollständig oder es wird zuwenig davon synthetisiert. Da nun der Abbau von Phenylalanin zu gering ist akkumuliert es in sämtlichen Körperflüssigkeiten. unbehandelt führt diese Krankheit zu starker geistiger Zurückgebliebenheit. Momentan sieht die Behandlung einen phenylalaninarme Diät vor. Auf Lebensmittels ist häufig die Warnung "enthält eine Phenylalaninquelle" zu lesen, auch auf LM die eigentlich keine Proteine enthalten. z.B. Cola oder Pepsi light. Hier kommt das Phenylalanin aus dem verwendeten Süßstoff, dem Aspartam.

Histidin ist vor allem bei Kindern noch essentiell. Aber auch bei chronischem Nierenversagen ist der Patient auf eine Histidinzufuhr angewiesen.

Cystein kann in der Leber über Transsulfonierung aus Methionin gebildet werden. Dieser Vorgang ist bei Patienten mit Homocystinurie gestört. Dadurch muss Cystein mit der Nahrung zugeführt werden. auch Frühchen und Neugeborene benöigen eine Cysteinzufuhr, da bei so kleinen Knirpsen die Transsulfonierungsaktivität noch zu gering ist.

Nichtproteinogene Aminosäuren[Bearbeiten]

Zu den nicht proteinogenen Aminosäuren zählen vor allem pflanzliche Aminosäuren. Es könnte sich möglicherweise um pflanzliche Abwehrstoffe handeln, aber die genaue Funktion ist bisher noch ungeklärt.

Hier ein paar Beispiele, die von Bedeutung sind:

  • D-Alanin findet sich vor allem in der Bakterienzellwand. Es verleiht Schutz vor Proteasen.
  • \beta-Alanin ist Bestandteil des Coenzym A. Es entsteht als Abbauprodukt von Uracil und Cytosin.
  • Sarkosin = N-Methylglycin kommt im Fleischsaft vor, es handelt sich um ein Abbauprodukt des Kreatins im Muskel. Aus Kreatinphosphat und ADP wird im Muskel ATP synthetisiert. Kreatin entsteht so natürlich ebenfalls.
  • GABA (\gamma-Aminobuttersäure ist ein Decarboxylierungsprodukt der Glutaminsäure und ist ein Hauptneurotransmitter im Gehirn.
  • Selenocystein ist eigentlich das gleiche wie Cystein nur das anstelle eines Schwefelmoleküls ein Selenmolekül eingebaut wurde.
  • 1-Aminocyclopropan-1-carbonsäure entsteht aus S-Adenosylmethionin. Es kommt zur enzymatischen Zersetzung zu CO2, HCN, und Ethylen (= Neurotransmitter).

Peptide[Bearbeiten]

Peptidbindung[Bearbeiten]

Einzelne Aminosäuren können über eine Peptidbindung mit einander verknüpft werden. hierbei handelt es sich um eine kondensation bei der Wasser abgespaltet wird. Diese Reaktion kann sich so oft wiederholen wie Aminosäuren anwesend sind.

Da, wie man der Abbildung entnehmen kann, ein partieller Doppelbindungscharakter besteht, gibt es keine freie Drehbarkeit um die Peptidbindung. Es handelt sich um eine starre, planare Einheit. Die Reste der Aminosäuren werden alternierend nach oben und unten verteilt.

Paptidbindung.png

Das \alpha-C-Atom wird bevorzugt trans-ständig angeordnet. Nur hier besteht die Möglichkeit der Drehung. Die Winkel \Phi und \Psi geben die Drehungen zwischen \alpha-C und N-Atom bzw. Peptid-C an. Sterische Gründe erlauben nur gewissen Winkelkombinationen. Diese Kombinationen lassen sich aus dem Ramachandran-Diagramm ablesen.
Die Starrheit und der eingeschränkte Satz an Winkelkombinationen ist ausschlaggebend für die Proteinfaltung.
Wie schon erwähnt sind Peptidketten gerichtet. Definitionsgemäß ist der Start einer Peptidkette das N-terminale Ende. Das Ende der Peptidkette ist die Carboxylgruppe der letzten Aminosäure.

Je nach Anzahl der Aminosäuren kann man Mono-, Di- oder Tripeptide unterscheiden. Die nächst größeren Einheiten sind dann Oligopeptide (bis zu 10 AS), Polypeptid (bis zu 100 AS) und zu guter Letzt Proteine (>100 AS).

Natürlich vorkommende Polypeptidketten sind meist 50 - 2000 Aminosäuren lang und weisen ein Molekulargewicht von 5500 bis 220000 Dalton.

Isopeptidbindungen[Bearbeiten]

Hierbei handelt es sich formal um eine Peptidbindung, doch reagiert sozusagen die falsche Gruppe der Aminosäure. Bei einer normalen Peptidbindung reagieren die Amino- und die Carboxylgruppe des Grundgerüsts. Bei einer Isopeptidbindung reagieren Amino- und Carboxylgruppen der Seitenketten.
Dies führt zu einer Wertminderung der Proteine. Bei Glutathion ist Glu beispielsweise auch über eine Isopeptidbindung an die anderen 2 AS gebunden.
Isopeptidbindungen entstehen teilweise durch Erhitzung oder teilweise enzymatisch durch Transglutaminase. Dies wird zur Verknüpfung von Fleischeiweiß durch Glutaminsäure-Lysin-Vernetzung genutzt. Rohes Fleisch lässt sich so in einen schneid- und bratfähigen Verbund bringen

Wechselwirkungen[Bearbeiten]

Innerhalb eines Proteins wirken viele unterschiedliche Kräfte. Je nach Art der Kraft beeinflusst dies auch teilweise die Funktion des Proteins.

Wasserstoffbrücken spielen eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Sekundärstrukturen. Bei den Tertiärstrukturen spielen sie eine untergeordnete Rolle. H-Brücken dienen also sozusagen dem Feintuning. Mit einer Bindungsstärke von 8 - 40 kJ/mol und einer Länge von 2 - 3 Angström können sie sich zwischen den O- und H-Atomen der Peptidbindung ausbilden aber auch Phenol- und Hydroxylgruppen können an der Wasserstoffbrücke beteiligt sein.
Zerstört werden kann die Bindung durch Harnstoff oder Hitze. Kühlung trägt im Gegensatz zur Stabilisierung bei.

Ionische Bindungen spielen eine wichtige Rolle bei der Wasserlöslichkeit und der Quellung. Zur Formgebung tragen sie wenig bei. 75% der geladenen Reste ragen meist aus der Oberfläche der Proteine heraus. Die Bindungsstärke beträg ca. 42 - 84 kJ/mol und die Bindungslänge beträgt ebenfalls 2 - 3 Angström.
Hohe Salzkonzentrationen und extrem niedrige oder hohe pH-Werte stören die ionischen Wechselwirkungen.

Hydrophobe Wechselwirkungen
Unpolare Moleküle haben in Wasser das Bestreben sich zusammenzuballen. Dadurch nimmt die Entropie des Wassers, aufgrund der Freisetzung von Wassermolekülen zu. Dieser hydrophobe Effekt spielt vor allem bei der Faltung und der Stabilisierung der Tertiärstruktur eine Rolle. Hydrophobe Bereiche werden eher im Inneren des Proteins plaziert, während hydrophile Bereiche eher nach außen gelagert werden.
Die hydrophoben WW haben eine Energie von 4 - 12 kJ/mol und eine Reichweite von 3 -5 Angström (zumindestens bei aliphatischen und aromatischen Seitenketten).
Hydrophobe WW können durch Detergenzien und org. Lösemittel gestört werden.

Allgemeine elektrostatische Wechselwirkungen
Stehen in direktem Kontakt mit dem Wasser. Die Ladung "bindet" Wasser je nach Art und Höhe der Ladung. Sind die Ladungen eng eingeschlossen kann sie kein Wasser erreichen. Sind die Ladungen aber erreichbar können Proteine, durch Wasseranlagerung, aufquellen.

Kovalente Bindungen
Zu kovalenten Bindungen zählen hauptsächlich die Disulfidbrücken, die aus 2 Cysteinmonomeren bestehen (vgl oben Cystin). Die Disulfidbrücke ist zwar eine wichtige aber keine essentiell stabilisierende Kraft im Protein.
Sie erleichtern den Übergang von einer Kette in eine aktive Struktur und geben nebenbei auch noch strukturellen Halt gegenüber extrazellulären Einflüssen.
Ein praktisches Beispiel für die Verwendung von Disulfidbrücken ist beipielsweise die Dauerwelle. Die ursprünglichen S-S-Brücken werden aufgebrochen und nach aufwickeln auf Lockenwicklern werden mit einem Entwickler neue Disulfidbrücken geschaffen. Die Haare bleiben lockig auch wenn die Lockenwickler weg sind.

Strukturen[Bearbeiten]

Bei Proteinen handelt es sich um gefaltete Makromoleküle die unterschiedlich strukturiert sind. Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften werden Domänen genannt. Mehrere dieser Domänen sind über irreguläre Abschnitte verbunden.

Primärstruktur[Bearbeiten]

Unter Primärstruktur versteht man einfach nur die Aminosäuresequenz, das heißt also alle Aminosäuren die ein Protein codieren werden hinter einander weg wie Perlen an einer Schnur aufgelistet. Definitionsgemäß ist der Start der Aminosäuresequenz am N-terminalen Ende und das Ende bildet die Carboxylgruppe der letzten Aminosäure.

Sekundärstruktur[Bearbeiten]

\beta-Faltblatt:

Sekundaer-Struktur-Faltblatt.png

Das Faltblatt ist das wichtigste Strukturelement. Es liegt fast vollständig gestreckt vor. Wie die Abbildung zeigt, kann das Faltblatt entweder parallel oder antiparallel vorliegen. Schematisch werden Faltblattstrukturen mit großen breiten pfeilen dargestellt. Sperrige Aminosäurereste behindern die Annäherung der Stränge.
Val, Ile, Phe, Tyr, Trp und Thr sind bevorzugt in Faltblattstrukturen zu finden. Die AS Prolin findet sich häufig in Kehren, ansonsten stört Prolin sowohl die Faltblatt- als auch die Helixstruktur.
Auch Ser, Asn und Asp befinden sich gerne in den Kehren.

\alpha-Helix:

Sekundaerstruktur-Alpha-Helix.png

Bei der \alpha-Helix sind alle H und O-Atome der Peptidbindung an Wasserstoffbrücken beteiligt. In Helizes sind vor allem die Aminosäuren Ala, Cys, Leu, Met, Glu, Gln, His und Lys beteiligt.
Pro, Gly, Ser und Tyr sind sog. Helixbrecher und kommen somit nicht vor.

Natürlich gibt es auch hier Sonderfälle. Im Muskel, in Fibrin im Cytoskelett und in Kreatin findet man sog. Superspiralisierte Helizes. So wird es genannt, wenn 2 oder 3 Helizes nocheinmal ineinander verdrillt sind.

Es gibt auch noch sog. Supersekundärstrukturen, in denen eine Kombination von allem vorkommt.

Tertiärstruktur[Bearbeiten]

Die Tertiärstruktur entspricht der räumlichen Anordnung und zeigt wie die unterschiedlichen Sekundärstrukturen aufeinanderfolgen und wie sie im Endeffekt das Protein zusammenfalten.
Die Strukturproteine weisen oft regelmässige Sekundärstrukturen auf, im Gegensatz dazu wechseln sich bei globulären Strukturen verschiedene Sekundärstrukturen und ungeordnete Kettenabschnitte ab.
die wichtigsten Kräfte die hier im Spiel sind, sind hydrophobe und kovalente Bindungen. Ionische Bindungen und Wasserstoffbrücken sind eher unrelevant.

Quartärstruktur[Bearbeiten]

Die Quartärstruktur zeigt wie mehrere Tertiärstrukturen miteinander verknüpft sind, es handelt sich also um Polypeptide die mehr als eine Aminosäurekette aufweisen. Jede dieser Ketten ist eine Untereinheit.

Levinthal'sches Paradoxon[Bearbeiten]

Die korrekte Faltung von Proteinen ist wohl der wichtigste Ablauf bei der Proteinsynthese. Die am Ribosom produzierte Aminosäuresequenz muss in die entsprechenden sek., tert. und quart. Strukturen überführt werden.
Bei einem falschgefalteten Protein / Enzym kann es beispielsweise dazu kommen, dass das aktive Zentrum blockiert bzw. nicht mehr passend ist. Krankheiten die auf falsche Proteinfaltung zurückzuführen sind, wären Kreuzfeldjakob und Alzheimer.
Die Faltung ist so hoch effizient, dass noch nicht alle Einzelheiten geklärt sind. Was aber so soweit bemerkenswert ist, ist die enorme Differenz zwischen der berechneten und der tatsächlichen Faltungsdauer.
Levinthal berechnete eine Faltungsdauer von ca. 1048 Jahren und bei allem was recht ist. Solange kanns einfach nicht dauern. Tatsächlich dauert die vollständige Faltung direkt nach der Herstellung nur 0,1 - 1000 sek.
Die Faltungsenergie berechnet sich über \DeltaG = \DeltaH - TdS.

Da die Faltungsenergie eine kleine Differenz großer Beträge darstellt, ist das gefaltete Protein tatsächlich nur 20 - 60 kJ/mol stabiler als vorher.

2 Faktoren bestimmen die Faltungsenergie:

  • Enthalpie: Die Enthalpie ist die Energie der nicht-kovalenten Wechselwirkungen innerhalb der Peptidkette, also hydrophobe, und ionische Bindungen sowie Wasserstoffbrücken. Es ist erwiesen, dass die Energie der kovalenten Bindungen im nativen Zustand, der der kovalenten Bindungen im denaturierten Zustand entsprechen. (Mal abgesehen von den Disulfidbrücken, die bei der Denaturierung aufgespalten werden)

Die nicht-kovalenten Wechselwirkungen allerdings sind im nativen Zustand fester und häufiger vorhanden. Das bedeutet einen größeren Energiebeitrag, die Enthalpie H wird größer.

  • Entropie: Die Entropie (=Unordnung), die aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik stammt, ist in einem nativen (geordneten) Protein wesentlich größer, als in einem denaturierten (ungeordnetem) Protein. Es ist jedoch so, dass die Entropie durch den hydrophoben Effekt in dem umgebendem wässrigen Millieu ansteigt.

Die Faltungsenergie kann durch den sog. Faltungstrichter graphisch dargestellt werden. Dies lässt die Aussage zu, dass es eigentlich egal ist auf welchem Weg das Protein gefaltet wird, hauptsache es wird richtig gefaltet.

Es gibt 2 Modellvorstellungen wie die Faltung abläuft:
a) Hierarchisches Modell: Es kommt hierbei erst einmal zur Faltung lokaler Sekundärstrukturelemente, die wie Kristallationskeime wirken. Anschließend folgt die Supersekundärstruktur. Nun kommt es zur Bildung von Domänen und somit zur Ausbildung der Tertiärstruktur. Kurz gesagt: Alles schön der Reihe nach. Hierarchisch also...

b) Hydrophober Kollaps: Aufgrund des hydrophoben Effekts kommt es sozusagen zum zusammenschnalzen der Aminosäurekette. In diesem doch recht beengten Zustand "sucht" sich das Protein anschließend die korrekte Faltung.

Es gibt einige Enzyme und Proteine die an der Faltung beteiligt sind. Beipiele sind Protein-Disulfid-Isomerasen oder Peptidyl-Prolyl-Isomerasen oder aber die Chaperone, also die Heat-shock-proteines (HSP). Diese Enzyme oder Proteine stabilisieren wichtige Zwischenzustände.

Wertigkeit von Proteinen[Bearbeiten]

Die Wertigkeit beschreibt die ernährungsphysiologischen Eigenschaften eines Proteins bzw. die AS-Zusammensetzung. Grundsätzlich kann man mal sagen, dass tierische Eiweiße höherwertig sind, als pflanzliche. Die Wertigkeit ist ein Maß für die Verwertbarkeit der Aminosäuren. Eine hohe biologische Wertigkeit heißt also, dass das Verhältnis der essentiellen Aminosäuren dem Humanbedarf entspricht.

Limitierende Aminosäuren[Bearbeiten]

Die Aminosäure, welche den größten Defizit bezogen auf den Mindestbedarf aufweist, wird als limitierende Aminosäure bezeichnet.
Es gab in den letzten Zeiten Versuche Lebensmittel anzureichern, um so Fehl- bzw. Mangelernährungen (vor allem in Dritteweltländern) zu reduzieren. Doch dies schlug leider fehl. Den wird nun die limitierende AS in einer Pflanze gentechnisch aufgestockt, so tritt eine andere an ihren Platz und wird zur limitierenden AS. Des weiteren würde dies auch zu neuen Konkurrenzreaktionen führen, da einige AS über einen Transporter aufgenommen werden. Wenn man nun den Gehalt einer der transportierten AS drastisch erhöht, werden evtl. die anderen gar nicht mehr transportiert und somit zu limitierenden AS.

Löslichkeit und pH[Bearbeiten]

Dissoziation von Aminosäuren[Bearbeiten]

Aminosäuren liegen bei physiologischem pH-Wert als Ionen vor (-COO- und -NH3+). Je nach vorherrschendem pH-Wert (Bsp: Magen ca. 2, Darm ca. 7) können auch die anderen Gruppen geladen oder ungeladen sein. So entstehen Anionen, Kationen oder Zwitterionen.
Am isoelektrischen Punkt (pI) sind die AS zwar maximal geladen, nach außen sind sie jedoch neutral. Das heißt eine oder zwei positive Ladungen stehen genau derselben Anzahl negativer Ladungen gegenüber. Hier herrschen also die geringsten ionischen Wechselwirkungen
Dadurch ist die Löslichkeit von Aminosäuren am isoelektrischen Punkt am geringsten und sie lassen sich bei diesem pH-Wert am leichtesten ausfällen. Handelt es sich um lösliche Proteine ist die Viskosität und die Quellbarkeit an diesem Punkt am geringsten.
Die Titrationskurven, die man bei Titration mit beispielsweise NaOH erhält, ähneln den Säure-Base-Titrationskurven. Am isoelektrischen Punkt ist ein Wendepunkt ersichtlich. Hier genügt schon eine geringe Menge NaOH um den pH-Wert sprunghaft zu verändern.

Bei neutralen Aminosäuren kann der isoelektrische Punkt berechnet werden:

pI = (pK1 (COOH) + pK2 (NH2/)) / 2

Beispiel füe Phenylalanin: pI = (2,3 (COOH) + 9,9 (NH2/)) / 2 = 6,6. Phe lässt sich somit bei pH 6,6 am einfachsten ausfällen.

Der pI kann aber variieren, je nach Art und Konzentration der umgebenden Ionen.

Die Wechselwirkungen von Proteinen und Wasser sind technisch und ernährungsphysiologisch eine sehr wichtige Eigenschaft. Folgende Punkte werden davon beeinflusst.

  • Wasserbindung und -retention
  • Quellbarkeit
  • Löslichkeit
  • Gelierung
  • Emulgierung
  • Sensorik

Die Löslichkeit von Proteinen in Wasser ist wie oben schon mal erwähnt von der Hydratation anhängig, die Hydratation ist abhängig von den Seitenketten der Aminosäuren, vom pH-Wert und von den Ionen. Am isoelektrischen Punkt sind genügend hydrophobe Wechselwirkungen, dadurch kann es aufgrund fehlender elektrostatischer Abstoßung zu Aggregation und Präzipitation. Da keine Überschußladung vorhanden ist, kommt es zur näheren Anlagerung und dadurch zur geringeren Löslichkeit.
Phosphate und Citrate können dies ausgleichen (z.B. in Wurst).
Nach Überschreitung des isoelektrischen Punktes (der niedrigste liegt ca. bei pH 5) nimmt die Hydrathülle wieder zu.

Einsalzen und Aussalzen[Bearbeiten]

Durch Salz kann es zur Verschiebung des isoelektrischen Punktes kommen. Dadurch ergeben sich 2 technologische Einsatzmöglichkeiten: das Einsalzen und das Aussalzen.

Bei niedrigen Salzkonzentrationen kommt es zur Anlagerung von Na+- und Cl--Ionen an die Reste der Aminosäuren. Dies führt zur Aggregation bzw. zur Zurückdrängung der Assoziation. Es kommt zu einer Löslichkeitserhöhung. Dies wird Einsalzeffekt genannt.

In gewissem Sinne konkurrieren die Salzionen mit den geladenen Seitenketten um die Wassermoleküle. Bei hohen Salzkonzentrationen hat das Salz gewonnen und entzieht dem Protein das Wasser. Es kommt zu einer Löslichkeitserniedrigung und die Proteine fallen aus. Dies wird Aussalzeffekt genannt. Dies kann zu einer Grobtrennung der Proteine genutzt werden.

Ein-Aussalzeffekt.png

Die unterschiedlichen Ionen können anhand der Stärke des Aussalzeffektes sortiert werden. Man erhält die sogenannte Hofmeister'sche Reihe:

K+ > Na+ > Cs+ > Li+ > NH4+

SO42- > Citrat2- > Tartrat2- > Acetat2- > Cl- > NO3- > Br- > I-

Denaturierung[Bearbeiten]

Es gibt mehrere Möglichkeiten ein Protein zu denaturieren. Hitze, Chemikalien, mechanische Belastung, Bestrahlung uvw. Die Denaturierung kann reversibel oder irreversibel sein (Eier kochen ist eine irreversible Denaturierung, Agarose erhitzen ist reversibel, denn sobald die Agarose wieder kalt wird erstarrt sie wieder). Grundsätzlich ist es jedoch so, dass der Reihe nach die Quartär-, Tertiär- und Sekundärstruktur kaputt gehen. Die Primärstruktur bleibt jedoch erhalten. Bei einer irreversiblen Denaturierung kommt es zur Spaltung der Disulfidbrücken, die hyrophoben Bindungen werden freigelegt und es kommt zur Aggregation.
Die Folgen der Denaturierung sind genauso vielfältig wie die Auslöser:

  • Zunahme der Löslichkeit (Bsp: Kollagen in Gelatine)
  • Abnahme der Löslichkeit (Bsp: gekochtes Ei)
  • Verlust der Aktivität (Bsp: Toxine)
  • Verbesserte Verdaulichkeit (Bsp: erhitztes Fleisch oder gekochtes Gemüse)
  • Höhere Viskosität
  • Verlust der Kristallbildungseigenschaften

Thermische Denaturierung[Bearbeiten]

Wie im Falle der Agarose ist eine thermische Denaturierung von monomeren, globulären Proteinen bis 100°C meist reversibel. die Agarose wird erwärmt, schmilzt, dann umgefüllt und zum Schluß (nach dem Abkühlen) erstarrt sie wieder in ihrer neuen Form.
Bei Lebensmitteln und deren Erhitzung ist die Denaturierung meist irreversibel. Man denke an das Kochen von Eiern oder die Zubereitung von Fleisch. Einmal gekocht, können diese Lebensmittel nicht mehr in die ursprüngliche Form zurückgebracht werden.

  • Native Proteine haben eine definierte Raumstruktur.
  • Bei beginnender Denaturierung steigt das Wasserbindevermögen. Es kommt zum Abbau der Tertiärstruktur und somit zur Lockerung des Proteins.
  • Je weiter die Denaturierung fortschreitet, desto weiter werden die Strukturen abgebaut. So muss auch die Sekundärstruktur weichen. Helizes werden entfaltet und Faltblattstrukturen werden abgebaut. Das Quellvermögen sinkt je weiter die Denaturierung fortschreitet.
  • Zu guter Letzt kommt es zur Gelbildung, Koagulation und Flokkulation. Neue Disulfidbrücken werden ausgebildet.
  • Wird noch weiter erhitzt, kommt es zum Abbau der Proteine und damit zu Aromabildung. Bei hohen Temperaturen kommt es sogar zur Abspaltung von H2S.

Wann Proteine danaturieren ist unterschiedlich:

  • Proteine der Milch denaturieren bei unterschiedlichen Temperaturen (Caseine bei ca. 120°C, Lactalbumin und Lactglobulin bei ca. 70 - 77°C)
  • Ovalbumin und Lipoproteine im Ei denaturieren bei mehr als 80°C Das Conalbumin schon bei 60°C.
  • Das Myosin der Muskeln beginnt bei 55°C mit der Denaturierung

Denaturierung an Grenzflächen[Bearbeiten]

Proteine können aber auch an Grenzflächen zwischen W/org LM denaturieren. Hier kommt es meist zur irreversiblen Denaturierung und nimmt häufig in Lebensmitteln (Milch, Bier, Majo) Emulgatorwirkungen war.
Ein Beipiel im Bierschaum. Schäume sind Dispersionen von Gasen in Flüssigkeiten. Proteine bilden einen kohäsiven Film in der Gasblase, welche dadurch stabilisiert wird. Partiell aufgefaltete Proteine assziieren unter Filmbilung, diese Filme werden durch Fett oder Detergenzien zerstört.

Denaturierung durch mechanische Beanspruchung[Bearbeiten]

Die mechanische Belastung kennt man meistens vom Kneten eines Teiges. Hier kann der Energieeintrag zur Spaltung von Bindungen führen. Das wiederholte Auswalzen verändert das Proteinnetzwerk im Teig, vor allem da viele \alpha-Helizes verloren gehen.

Denaturierung von Proteinen unter Druck[Bearbeiten]

Hochdruckbehandlung ist vor allem bei den Lebensmittel gerade ganz groß im Kommen. Dabei wird das zu Sterilisierende Lebensmittel (v.a. Schinken, oder Hummer und Langusten in Asien) in ein Druckmedium (meist Wasser) gegeben und ein ziemlich hoher Druck auf dieses Medium ausgeübt.
Die behandelten Proteine verlieren in der Regel ihre Tertiär- und Quartärstruktur. Die Sekundärstrukturen, v.a. das Faltblattm ist nahezu inkompressibel.

(Man kann sich bei youtube kleine Videos über die Behandlung von Hummern und Langusten ansehen. Die sind zwar meist chinesisch oder japanisch gesprochen, doch man sieht, dass sich das Fleisch dieser Tiere nach der Behandlung ohne Probleme von der Schale ablösen lässt.)

Denaturierung durch Detergenzien[Bearbeiten]

Durch Detergenzien wie SDS (Natriumdodecylsulfat) können die einzelnen Polypeptidketten in stabförmige Protein-SDS-Moleküle überführt werden. Dadurch entsteht insgesamt eine negative Gesamtladung, die Eigenladung der Proteine wird überdeckt. SDS wird häufig bei der Gelelektrophorese (SDS-Page) verwendet, um Proteine mittels Strom voneinander zu trennen.

Andere Beispiele für den<turierende Detergenzien wären Thiole (spalten S-S-Bindungen) oder Harnstoff und Guanidinchlorid. Sie konkurrieren um die Wasserstoffbrücken der Polypeptidketten. Dadurch kommt es zur Auffaltung der Proteine, also zum Abbau der Strukturen und letztendlich zur Löslichkeit.

Natürlich sorgen auch Säuren und Laugen für die Denaturierung, da die Ladung auf die elektrostatischen Wechselwirkungen der Proteine einwirkt.

Strukturproteine[Bearbeiten]

Seidenproteine[Bearbeiten]

Bei der Verpuppung spinnt die Raupe des Seidenspinners ihren Kokkon aus 1 - 3 km langen antiparallelen \beta-Faltblattstrukturen. Der Faden besteht aus Seidenfibroin (70 - 80%) und aus Seidenschleim (20 - 30%).
Das Seidenfibroin hat einen hohen Gehalt an Ala, Gly, Gln und Ser. Die kleinen Seitenketten erlauben eine nahe Anordnung und somit eine dichte Packung. Im amorphen Bereich befinden sich AS mit langen Seitenketten wie Tyr, Val, Asp, Asn. Dies sorgt für die hohe Reisfestigkeit.

\alpha-Kreatin[Bearbeiten]

Haare sind 2 superspiralisierte \alpha-Helices, welche noch über Disulfidbrücken verknüpft sind.
Bei feuchter Wärme (beispielsweise beim Duschen) gehen die Helizes der \alpha-Keratine in \beta-Faltblattstrukturen über. Es kommt zur spontanen Rückwandlung beim Abkühlen. Dies geschiet, da \alpha-Keratin längere Seitenketten hat als \beta-Keratin. Daher ist die Faltblattstruktur nicht wirklich stabil.
Da \alpha-Keratin viele Disulfidbrücken ausbauen kann, ist auch sowas wie die Dauerwelle möglich.
Zuerst werden die Haare aufgewickelt. Dann folgt eine Reduktion unter Wärmeeinfluss. Es kommt zur Spaltung der Disulfidbrücken. Die feuchte Wärme bricht die Wasserstoffbrücken, entdrillt die Helizes und streckt sie.
Zu guter Letzt folgt noch eine Behandlung mit Oxidationsmitteln die eine erneute (diesmal etwas veränderte) Bildung von S-S-Brücken einleitet. Nach dem Trocknen und Abkühlen der Haare bildet sich die \alpha-helicale Struktur zurück.

Kollagen[Bearbeiten]

Kollagen ist Bestandteil des Bindegewebes und eine Tripelhelix. Es gibt ca. 16 unterschiedliche Kollagentypen in allen Geweben des tierischen Körpers. Die physikalischen Eigenschaften bestimmen die Qualität und den Genußwert.
Kollagen ist eine Polypeptidkette die fast ausschließlich aus folgenden Bausteinen besteht: (Gly-X-Y)n.
Wobei X häufig Prolin oder 4-Hydroxyprolin ist und Y ist meist 4-Hydroxyprolin. (Dies lässt sich auch gut für die Analyse von Wurst oder Fleisch einsetzen, denn Hydroxyprolin kommt nur im bindegewebe vor und nicht im Muskel)
Die Tripelhelix sorgt für Starre und Zugfestigkeit. Stabilisiert wird das ganze zusätzlich noch durch H-Brücken.

Globuläre Proteine[Bearbeiten]

Albumine[Bearbeiten]

Albumine sind selbst am pI noch wasserlöslich und kommen vor allem im tierischen Organismus zusammen mit Globulinen vor.

Globuline[Bearbeiten]

Sind in einer 10%igen NaCl-Lösung löslich. Sie kommen in tierischen und pflanzlichen Lebensmittel vor. Dies ist das häufigste vertretende globuläre Protein.


Gluteline[Bearbeiten]

Gluteline sind in wässriger Alkalilösung löslich. Sie kommen vor allem in Getreide vor und weisen einen hohen Glu-Gehalt auf.


Prolamine[Bearbeiten]

Sind in 70% Ethanol löslich. Auch Prolamine sind vor allem im Getreide zu finden, wo sie Aggregate mit fibrillären Strukturen bilden (diese sind Kräfte sind zu stark als das man sie in reinem Wasser lösen könnte).

Histone[Bearbeiten]

Histone kommen im Zellkern vor. Sie sind in verdünnten wässrigen Säuren löslich. Histone enthalten viel Lys und Arg.

Zusammengesetzte Proteine[Bearbeiten]

Zusammengesetzte Proteine auch Proteide genannt sind entweder kovalent oder nicht-kovalent gebundene andere Substanzklassen:

Glykoproteine[Bearbeiten]

Glykoproteine bestehen zu 4 - 80% aus Kohlenhydraten, welche während oder direkt nach der Proteinsynthese an die Proteine geheftet werden. Die Kopplung erfolgt häufig über Ser oder Thr.

Lipoproteine[Bearbeiten]

Sind wie der Name schon sagt mit Lipiden assoziiert. Sie haben große biologische und medizinische Bedeutung und spielen vor allem beim Lipidtransport eine Rolle.

Phosphoproteine[Bearbeiten]

Hier zählen beispielsweise Phosvitin im Eigelb oder Casein in der Milch. Sie dienen vor allem der Entwicklung und der Ernährung junger Tiere. Aber auch im Stoffwechsel und bei der Signaltransduktion spielen Phosphorylierungsreaktionen von Proteinen und Enzymen eine wichtige Rolle. Phosphor wird als ortho-Phosphat über Ser und Thr gebunden.

Chromoproteine[Bearbeiten]

Bei diesen zusammengesetzten Proteinen handelt es sich um stark gefärbte Proteine. Sie sind auch für die knallrote Farbe eines Hummers nach dem Kochen verantwortlich. Es zählen aber auch Hämoglobin und Myoglobin zu dieser Gruppe. Teilweise sind sie mit Carotin assoziiert.

Nucleoproteine[Bearbeiten]

Hierbei handelt es sich um stark basische Proteide die an die Nucleinsäuren des Zellkerns gebunden sind. Zu finden sind sie vor allem im tierischen Organismus. Sie spielen bei Gicht eine große Rolle.


Peptide[Bearbeiten]

Die Natur benötigt aber nicht nur komplette, gefaltete Proteine. Nein, auch kurze Peptidketten spielen extrem wichtige Rollen im Organismus, in der Technik und in der Natur. So gibt es Peptid-Hormone, wie Insulin oder Glukagon, Peptid-Antibiotika, wie Nisin oder auch Peptid-Toxine, wie die des Knollenblätterpilzes.
Ja nach Konformation schmecken sie neutral bis bitter, es gibt aber auch hier wieder Ausnahmen^^
Ein Bittergeschmack entsteht immer dort wo proteolytische Prozesse am Laufen sind. z.B. Fehlaroma im Käse wegen Fehlreifung.

Glutathion[Bearbeiten]

Glutathion ist ein Tripeptid aus Glu, Cys und Gly und gehört zu den Redoxsystemen der Zelle. Glutathions sind auch aktiv am Aminosäurestoffwechsel beteiligt.
Hohe Glutathionkonzentrationen sorgen im Weizenkleber zu Kleberschwächung. Mit Ascorbinsäure kann dieser Effekt aber aufgehoben werden. Durch die Kleberschwächung ist das Gasbindevermögen geringer. Dies ist auch der Grund warum es heut zu Tage keine Löcher mehr im Brot gibt. (Ich kann mich noch an früher erinnern (bis ca. 90er Jahre) da haben sich immer alle beschwert, dass der Bäcker sein Geld für Löcher bekommt) Dem Mehl wird bei der Herstellung Ascorbinsäure zugesetzt und dadurch steigt auch das Gasbindevermögen.

Aspartam[Bearbeiten]

Aspartam ist ein Dipeptidester, L-Asparagyl-Phenylalanin-Methylester. Wird häufig als Süßstoff benutzt (v.a. Getränke, die ganzen light-Softdrinks). Wird Aspartam eingesetzt muss dies deklariert sein, da man bei der Zutat nicht davon ausgehen kann, das Phenylalanin enthalten ist (vgl oben Phenylketonurie). Dieses Peptid ist das einzige nicht bitter-schmeckende.

Nisin[Bearbeiten]

Nisin ist ein Stoffwechselprodukt verschiedener Streptococcus lactis-Stämme. Nisin wird bei der Käseherstellung eingesetzt um Spätblähung zu verhindern. Auch hitzegeschädigte Sporen (die ja eigentlich alles überleben) sind recht empfindlich gegen dieses Antibiotikum.

Funktionelle Eigenschaften in Lebensmitteln[Bearbeiten]

Die funktionellen Eigenschaften sind fast genauso vielfältig wie die Proteine an sich. Sie tragen zur Aromabildung oder zur Textur eines Lebensmittels bei. Mit ihren unterschiedlich geladenen Seitenketten können sie aber auch als Emulgatoren fungieren.

Aroma[Bearbeiten]

Cystin und Cystein sind vor allem für den Fleisch und Geflügelgeschmack ausschlaggebend. Sie reagieren bei Erhitzung in der Maillard-Reaktion zu geschmacksgebenden Komponenten.
Methionin ist die Ausgangssubstanz für den Kochgeschmack der Milch, trägt aber auch in Pommes zum Geschmack bei.
Leu, Val, Phe und Glu sind im Kakao- und Schokoladenaroma zu finden.
Und Arg und His aromatisieren Brot und Backwaren.

Quellung[Bearbeiten]

Bei der Quellung kommt es zur Volumenvergrößerung und zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften durch Wassereinlagerung. Je nach Protein kann ein Mehrfaches an Wasser (im Vergleich zur Proteintrockenmasse) eingelagert werden.
Quellvorgänge sind meist exotherm, aber exergonisch. Außerdem sind sie reversibel (soweit das Quellmittel wieder aus dem Festkörper entweichen (z. B. verdampfen) kann.

Schaumbildung[Bearbeiten]

Proteine können schaumbildende und schaumstabilisierende Eigenschaften aufweisen. Dies wird vor allem beim Bier und bei Süßwaren ausgenutzt.
Besonders gute Schaumbildner sind Proteingemische, wie beispielsweise das Eiklar im Ei. Hier erleichtern die Globuline die Schaumbildung und die Ovalbumine wirken stabilisierend.
Prinzipiell sind Schäume Dispersionen von Gasen in Flüssigkeiten. Diese können durch Proteine stabilisiert werden, indem sie flexible, kohäsive Filme um die Gasblasen bilden.
Es kommt zur Adsorption des Proteins an der Grenzfläche über die hydrophoben Bereiche, also auch zur partiellen Denaturierung. Die Herabsetzung der Oberflächenspannung erleichtert die Bildung neuer Grenzflächen und die Stabilisierung neuer Gasblasen. Die partiell aufgefalteten Proteine assoziieren unter der Bildung stabiler Filme. Die Stabilität ist abhängig von intermolekularen Wechselwirkungen, die durch die freigelegten AS-Reste vermittelt werden.

Proteinbestimmung nach Bradford[Bearbeiten]

In saurer Lösung bildet Coomassie Brillant Blau G-250 mit den Aminogruppen der Proteine einen gefärbten Komplex. Das Absorptionsmaxima verschiebt sich dadurch von 465 nm nach 595 nm. Durch die Erstellung einer Kalibriergeraden mit Rinderserumalbumin (BSA) kann die Konzentration von Proteinen in verschiedenen Proben bestimmt werden.

Das Bradford-Reagenz sollte min 1 Tag vor der Bestimmung hergestellt werden: 10 mg Coomassie Brillant Blau G-250 in 5 mL EtOH lösen, 10 mL ortho-H3PO4 (85% ig) zugeben und mit dest. Wasser auf 100 mL auffüllen. Vor der Verwendung sollte die Lösung noch einmal durch einen Faltenfilter filtriert werden.