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Primärstruktur

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Biologie

In diesem Artikel geht es um die Primärstruktur von Proteinen. Proteine, die während der Proteinbiosynthese entstanden sind, besitzen diese Primärstruktur. 

Dieeser Artikl zur Primärstruktur ordnet sich thematisch der Genetik unter und gehört zum Fach Biologie. 


Um die Primärstruktur zu verstehen ist es wichtig, dass du mit der sogenannten Codesonne vertraut bist. Im Folgenden wird erklärt, was die Primärstruktur ist, wie sie aufgebaut ist und wie die Primärstruktur von Proteinen bzw. Nukleinsäuren analysiert wird. 

Anschließend erklären wir dir am Beispiel der Sichelzellenanämie, warum die Primärstruktur so bedeutend ist. 


Tipp: Zum Abschluss findest du die wichtigsten Informationen noch einmal zusammengefasst in einer Form, die sich perfekt lernen lässt. 



Was ist die Primärstruktur eines Proteins?


Die Primärstruktur eines Proteins ist das, was auf molekularer Ebene nach der Translation analysiert wird. Wie du weißt, werden während der Translation Aminosäuren miteinander verbunden. Die Primärstruktur gibt nun an, in welcher Reihenfolge diese Aminosäuren stattfinden. 

Auf Niveau der Nukleinsäuren ist die Primärstruktur die Abfolge der Nukleotide und den dazugehörigen Basen. Mehr darüber erfährst du in dem entsprechenden Artikel zum Thema Nukleinbasen


Allgemein lässt sich folglich formulieren, dass die Primärstruktur die Sequenz der einzelnen Bausteine angibt. 


Beides lässt mithilfe der Codesonne ineinander überführen. Allerdings funktioniert das nur in eine Richtung, da zwar charakterisiert ist, welche Basenabfolge zu welcher Aminosäure gehört, aber eine Aminosäure mehrere Basensequenzen haben kann. Aus diesem Grund wird der genetisch Code auch als degeneriert bezeichnet. 


In diesem Abschnitt ist es wichtig, dass du dir für Proteine und auch Nukleinsäuren besondere Schreibweisen angewöhnst, die in der Wissenschaft durchgängig so verwendet werden. 

So schreibt man Proteine und deren Aminosäuresequenz auf, indem man an dem N-Terminus beginnt. Als solcher wird das aminoterminale Ende einer Aminokette bezeichnet. Das andere Ende besitzt die Carboxylgruppe und wird somit als C-Terminus bezeichnet. 

Auch Nukleinsäuren folgen einer bestimmten Reihenfolge. Dabei beginnt man stets an dem 5'-Ende und endet mit dem 3'-Ende, da in diese Richtung auch die Synthese erfolgt. 


Primärstruktur von Rinderinsulin (via de.khanacademy.org)

 

Diese Abbildung zeigt dir, wie eine solche Primärstruktur am Beispiel von Rinderinsulin aussieht. Wie du siehst, besteht es aus zwei Ketten, die über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Diese sind jedoch nicht Teil der Primärstruktur. Weitere Erklärungen findest du stattdessen in dem Artikel zur Tertiärstruktur

In der Abbildung beginnt der Strang mit Glycin am N-Terminus und Asparagin am C-Terminus. Die Leserichtung erfolgt, wenn nicht anders angegeben, von links nach rechts. 



Analyse der Primärstruktur 


Im Rahmen dieses Artikels stellen wir dir noch jeweils eine Möglichkeit vor, wie die Primärstruktur analysiert wird. 


Sequenzierung der Proteine


Besonders wichtig ist es, dass Proteine genau analysiert werden. Sie führen jegliche Funktionen in unserem Körper aus. Indem man die Sequenz der Proteine analysiert, kann man rückwirkend dann in der DNA schauen, welches Gen wo codiert wird. 


Die Analyse selbst erfolgt mithilfe des Edman-Abbaus. Dabei wird die N-terminale Aminosäure des gesamten Proteins markiert. Das geschieht zum Beispiel mithilfe eines Phenylisothiocyanats. 

Anschließend wird diese Aminosäure kontrolliert abgespalten. Dafür gibt es zahlreiche Möglichkeiten z.B. mithilfe von Restriktionsenzymen, die an bestimmten Stellen schneiden. Die abgespaltete Aminosäure wird anschließend identifiziert. Das erfolgt beispielsweise dann über NMR-Spektroskopie oder ähnliches. 


Solche Analysen sind typisch für Proteine, die nicht viel mehr als 50 Aminosäuren besitzen. Für alles weitere werden die Proteine vorher selbst noch einmal geschnitten mithilfe ebensolcher Enzyme. Oftmals wird hierfür auch eine Denaturierung verwendet. Dabei lösen sich meist alle weitere Strukturen auf, nur die Primärstruktur bleibt dauerhaft erhalten. 


Sequenzierung der DNA


Die Sequenzierung der DNA dauert hingegen deutlich länger und ist aufwendiger. Dabei gibt es auch zahlreiche unterschiedliche Methoden. Eine davon stellen wir dir vor. 


DNA-Sequenzanalyse mithilfe von Gelelektrophorese (via yaclass.at)

 

In diesem Kontext kannst du dir bereits einmal die Abbildung genau anschauen. Aus den Signalen, die du in dem grauen Feld erkennst, wird die DNA sequenziert. Die Methode, bei der solche Ergebnisse entstehen, wird auch als Sanger-Methode bezeichnet. 

Dabei wird die zu untersuchende DNA in zwei Einzelstränge getrennt. Diese dienen als Vorlage. Nebenbei werden spezielle Nukleotide produziert, die eine besondere Färbung besitzen, die du auch in der Abbildung siehst. 

Zahlreiche frei normale Nukleotide werden dann mit den DNA-Strängen, den gefärbten Nukleotiden und einer Polymerase in einem Reagenzglas vermischt. Durch Zugabe eines Primers wird bestimmt, an welcher Stelle die Synthese beginnt. Dank der Polymerase werden nun teilweise auch die gefärbten Nukleotide eingebaut. Sie besitzen die besondere Fähigkeit, dass sie die Synthese an dieser Stelle schließlich beenden. 

So entstehen unterschiedlich große Stück der DNA, abhängig davon, wann das erste gefärbte Nukleotid auftaucht. 


Analysiert werden die Ergebnisse zum Schluss mit einer Gelelektrophorese. Die gefärbten Nukleotide werden deutlich sichtbar, sodass am Ende identifizierbare Muster entstehen. Die Ketten werden pro Markierung etwa um ein Nukleotid länger. So lässt sich in mühevoller Kleinstarbeit analysieren, aus welchen Nukleotiden eine bestimmte Sequenz aufgebaut ist.


Sicherlich erscheint dir diese Arbeit beim ersten Mal als viel zu kompliziert. Häufig ist es aber sehr sinnvoll, sich auch die DNA so genau anzuschauen. Durch Austauschen von nur einer einzigen Base kommt es teilweise zu großen Veränderungen, ob die Aminosäuren teilweise sogar gleich bleiben. 


Im Fall der Sichelzellenanämie verändert sich die Primärstruktur an einer einzigen Stellen, was jedoch im Gesamten große Konsequenzen hat. Im nächsten Abschnitt schauen wir uns das aber noch einmal genau an. 



Sichelzellenanämie - Eine Veränderung der Primärstruktur 


Die Sichelzellenanämie ist eine Krankheit, bei der die roten Blutkörperchen eine veränderte Form annehmen. Wie der Name schon sagt, nehmen sie die Form von Sicheln an, wodurch diese Bestandteile nicht mehr alle Blutbahnen so einfach passieren können. Die Auswirkungen sind sehr unterschiedlich. 


Ursache der Sichelzellenanämie (via wissensschau.de)

 


Ursache dieses Phänomens ist eine Veränderung bereits in der Primärstruktur. In dem Gen HBB für Hämoglobin wird anstelle eines hydrophilen Glutamats eine hydrophobes Valin substituiert. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften in Bezug auf Wasser kommt es zu veränderten Strukturen auf den anderen Ebene, weshalb die Tertiärstruktur so deutlich unterschiedlich ausfällt. 


Eine solche Veränderung nennt man Punktmutation. Mehr darüber erfährst du in dem entsprechenden Artikel. Dieses Beispiel macht jedoch deutlich, dass es auch im Sinne der Krankheitsforschung sehr wichtig ist, die Primärstruktur der einzelnen Elemente zu kennen. Wie du siehst, können bereits minimale Veränderungen auf einem Level wie der Primärstruktur zu maximalen Veränderungen führen, die im Endeffekt sogar tödlich für den Organismus enden können. 



Alles Wichtige zur Primärstruktur auf einen Blick


  1. Die Primärstruktur beschreibt die Abfolge der einzelnen Bausteine. Sie wird für Proteine und Nukleinsäuren analysiert werden. 
  2. Der genetische Code wird als degeneriert bezeichnet, weil die Schlussfolgerungen von Aminosäure und Nukleotiden nur in eine Richtung funktionieren. 
  3. Die Primärsequenz der Proteine wird ausgehend vom N-Terminus aufgeschrieben und endet mit dem C-Terminus. 
  4. Die Primärsequenz der Nukleinsäuren beginnt am 5'-Ende und endet am 3'-Ende, entsprechend der Synthese. 
  5. Proteine werden mithilfe des Edman-Abbaus sequenziert. 
  6. Nukleinsäuren werden mithilfe der Sanger-Methode analyisert. Dabei werden gefärbte Nukleotide verwendet, die anschließend in der Gelelektrophorese ausgewertet werden. 
  7. Sichelzellenanämie entsteht aufgrund einer einzigen Veränderung in der Primärstruktur: durch den Austausch von Glutamat durch Valin. 
  8. Weitere Strukturen wie Sekundär- und Tertiärstruktur bauen auf der genauen Abfolge der Primärsequenz auf. 



Mit diesem Wissen bist nun bestens vorbereitet für deine nächste Prüfung. Du kennst dich nun mit der Primärstruktur aus, weißt, wie sie analysiert werden kann. Im nächsten Schritt schaust du dir am besten gleich die Sekundärstruktur an, die genau darauf aufbaut. 

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