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Proteinsekundär- und Tertiärstruktur
Die Sekundärstruktur beschreibt regelmäßige, lokale Faltungsmuster der Peptidkette, stabilisiert durch Wasserstoffbrücken im Peptidrückgrat: α-Helix und β-Faltblatt. Die Tertiärstruktur ist die dreidimensionale Gesamtfaltung eines Proteins, stabilisiert durch Disulfidbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen zwischen Seitenketten.
- ❗ α-Helix: rechtsgängige Spirale, Wasserstoffbrücken zwischen C=O und N-H alle 4 Aminosäuren.
- β-Faltblatt: gestreckte Ketten, die parallel oder antiparallel über Wasserstoffbrücken verbunden sind.
- Tertiärstruktur-Kräfte: Disulfidbrücken (kovalent, zwischen Cystein-Resten), hydrophobe Wechselwirkungen (Proteininneres), Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen zwischen Seitenketten.
- Quartärstruktur entsteht durch Zusammenlagerung mehrerer Polypeptidketten (Untereinheiten) zu einem funktionellen Komplex.
- Chaperone (z. B. Hsp70, Hsp60) unterstützen die korrekte Faltung und verhindern Fehlfaltung/Aggregation.
Quellen
- Löffler/Petrides „Biochemie und Pathobiochemie“ (Springer)
- Rassow et al. „Duale Reihe Biochemie“ (Thieme)
- IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
- Alberts et al. „The Shape and Structure of Proteins“ (Molecular Biology of the Cell, NCBI Bookshelf)
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Proteinsekundär- und Tertiärstruktur
Die Proteinfaltung folgt einer hierarchischen Logik: Aus der Primärstruktur (Aminosäuresequenz) entstehen lokale Sekundärstrukturelemente, die sich zu einer stabilen Tertiärstruktur zusammenlagern; mehrere Ketten können weiter zu einer Quartärstruktur assoziieren. Die treibende Kraft der Faltung ist die Minimierung der freien Energie, wobei hydrophobe Reste ins Innere und polare Reste an die Oberfläche wandern (hydrophober Effekt).
Sekundärstrukturen im Detail
Die α-Helix ist eine rechtsgängige Spirale mit 3,6 Aminosäuren pro Windung. Wasserstoffbrücken bilden sich zwischen dem Carbonyl-Sauerstoff der Aminosäure n und dem Amid-Wasserstoff der Aminosäure n+4, sodass die Brücken parallel zur Helixachse liegen. Prolin unterbricht die α-Helix, da sein Ring die notwendige Rotation um die N-Cα-Bindung verhindert und keinen Amid-Wasserstoff für die Brückenbindung liefert.
Das β-Faltblatt besteht aus gestreckten Strängen, die über Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Strängen verknüpft sind. Bei paralleler Anordnung laufen die Stränge in gleicher Richtung (schwächere, leicht gebogene H-Brücken), bei antiparalleler Anordnung in entgegengesetzter Richtung (stärkere, lineare H-Brücken). β-Turns (Wendungen) ermöglichen die 180°-Richtungsänderung der Kette und enthalten häufig Glycin und Prolin.
Tertiärstruktur und stabilisierende Kräfte
Disulfidbrücken sind kovalente Bindungen zwischen den Thiolgruppen zweier Cystein-Reste (Bildung von Cystin) und entstehen typischerweise im oxidierenden Milieu des endoplasmatischen Reticulums bei sekretorischen/extrazellulären Proteinen. Hydrophobe Wechselwirkungen zwischen unpolaren Seitenketten (Val, Leu, Ile, Phe) treiben die Faltung ins Proteininnere und sind quantitativ die wichtigste stabilisierende Kraft. Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen (Salzbrücken, z. B. zwischen Asp/Glu und Lys/Arg) tragen zur Feinstabilisierung und Spezifität der Faltung bei.
Chaperone verhindern die Fehlfaltung und Aggregation entstehender Polypeptidketten, indem sie hydrophobe Bereiche abschirmen, bis die korrekte Faltung möglich ist. Hsp70-Chaperone binden ATP-abhängig kurze hydrophobe Segmente, Hsp60/GroEL-Chaperonine bilden eine tonnenförmige Kammer, in der einzelne Proteine isoliert falten können. Fehlgefaltete Proteine werden über das Ubiquitin-Proteasom-System abgebaut.
- ❗ Prolin und Glycin gelten als Helixbrecher: Prolin durch Ringstruktur, Glycin durch fehlende Seitenkette und hohe Flexibilität – beide häufig in Turns.
- ⚠️ Prüfungsfalle: Disulfidbrücken sind die einzige kovalente Bindung der Tertiärstruktur – alle anderen genannten Kräfte sind nichtkovalent.
- ⚠️ Verwechslung parallel vs. antiparallel: antiparallele β-Faltblätter haben lineare, stärkere H-Brücken; parallele sind leicht gewinkelt und etwas schwächer.
- Quartärstruktur ist definiert als Assoziation mehrerer eigenständiger Polypeptidketten (Beispiel: Hämoglobin mit 4 Untereinheiten).
- Der hydrophobe Effekt (Entropiegewinn durch Ordnung des Wassers) ist der dominante thermodynamische Antrieb der Tertiärstrukturbildung.
- Chaperone falten Proteine nicht aktiv nach einer Vorlage, sondern verhindern passiv Fehlfaltung und Aggregation.
Quellen
- Löffler/Petrides „Biochemie und Pathobiochemie“ (Springer)
- Rassow et al. „Duale Reihe Biochemie“ (Thieme)
- IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
- Alberts et al. „The Shape and Structure of Proteins“ (Molecular Biology of the Cell, NCBI Bookshelf)