Sekundärstruktur

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Proteine sind sowohl für die Funktion als auch für das Aussehen ganzer Organismen zuständig. Ihr Aufbau – also die Proteinstruktur – ist ausschlaggebend dafür, was Proteine alles bewirken können. Die Proteinstruktur ist in vier Ebenen gegliedert, die aufeinander aufbauen. Eine dieser Ebenen ist die Sekundärstruktur.

Bildung der Sekundärstruktur eines Proteins

Als Sekundärstruktur bezeichnet man Faltungen und Verknüpfungen, die entstehen, wenn sich die einzelnen Bausteine in der Primärstruktur des Proteins zusammenlagern. Genauer gesagt entstehen dabei Verknüpfungen zwischen den Bindungen, die einzelne Bausteine in der Primärstruktur zusammenhalten.

Primärstruktur durch Peptidbindungen zwischen Aminosäuren

Die einzelnen Bausteine der Primärstruktur des Proteins sind Aminosäuren. Sie werden nacheinander in einer langen Kette aneinandergehängt und bilden somit eine Polypeptidkette. Um einzelne Aminosäuren miteinander zu verknüpfen, werden zwischen ihnen Peptidbindungen gebildet.

Verknüpfung von Aminosäuren

Jede Aminosäure beinhaltet eine Aminogruppe (-NH₂), eine Carboxygruppe (-COOH). Für die Verknüpfung von zwei Aminosäuren A und B reagiert die Carboxygruppe der Aminosäure A mit der Aminogruppe der Aminosäure B – eine Peptidbindung entsteht.

Wenn sich viele Aminosäuren verbinden, wird eine Menge an Peptidbindungen aneinandergereiht. Diese Aneinanderreihung wird auch Rückgrat eines Proteins bezeichnet. Dieses Rückgrat bildet die Basis für die Sekundärstruktur eines Proteins.

Sekundärstruktur durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Peptidbindungen

Die Sekundärstruktur von Proteinen besteht aus dreidimensionalen Anordnungen der Polypeptidketten. Diese entstehen, wenn sich zwischen verschiedenen Peptidbindungen innerhalb der Polypeptidkette Wasserstoffbrücken bilden.

Wasserstoffbrückenbindungen

Um Wasserstoffbrücken zu verstehen, musst Du Dich gedanklich auf die atomare Ebene bewegen.

Manche Atome eines Moleküls haben freie Elektronenpaare. Diese entstehen, wenn nicht alle Elektronen für die Bindungen innerhalb des Moleküls gebraucht werden. Die freien Elektronenpaare sind negativ geladen und sind meistens an Sauerstoff- (O) und Stickstoff-Atomen (N) zu finden. Wasserstoff-Atome (H) hingegen sind meistens eher positiv geladen.

Da in einer Peptidbindung sowohl freie Elektronenpaare als auch Wasserstoff-Atome enthalten sind, können sich zwischen verschiedenen Abschnitten in der Polypeptidkette Wasserstoffbrücken bilden. Dabei wird die Kette verformt, sodass sich bestimmte Strukturen bilden.

Elemente der Sekundärstruktur von Proteinen

In einem Protein treten zwei solcher Strukturen ständig auf und sind daher charakteristisch für die Sekundärstruktur: α-Helices und β-Faltblätter.

Alpha-Helix Struktur

Die α-Helix (Alpha-Helix) beschreibt eine Struktur, bei der sich die Kette rechtsgängig in Form einer Helix windet.

Aufgrund der gewundenen Struktur kommt es dazu, dass sich Aminosäuren in der Helix direkt unterhalb derjenigen Aminosäure befinden, die sich in der Polypeptidkette eigentlich vier Stellen weiter befinden. Zwischen diesen beiden Aminosäuren kann sich nun jeweils eine Wasserstoffbrückenbindung ausbilden und die Struktur der Helix stabilisieren.

Dabei bildet ein Sauerstoff-Atom eine Wasserstoffbrücke mit einem Wasserstoff-Atom der darüberliegenden Aminosäure. In jede Windung der Helix passen durch diese Anordnung durchschnittlich 3,6 Aminosäuren.

Eine Helix ist zwar sehr stabil, aber auch eine Struktur, die unter bestimmten Bedingungen dynamisch sein kann, in etwa wie eine Metallfeder. Eine seltenere Form der Helices, die in Sekundärstrukturen vorkommen, sind beispielsweise π-Helices. Diese sind durch 4,4 Aminosäuren pro Windung charakterisiert.

Beta-Faltblatt Struktur

Die dreidimensionale Struktur eines β-Faltblatts (Beta-Faltblatt) erinnert an ein Ziehharmonika-förmig gefaltetes Blatt. Die Peptidbindungen befinden sich dabei in der Ebene des Faltblatts, die organischen Reste der Aminosäuren hingegen stehen von den Faltkanten jeweils nach oben und unten ab.

Wie bei den Helices bilden sich zur Stabilisierung der Strukturen Wasserstoffbrücken aus, hier allerdings auf eine solche Art und Weise, dass sich die Faltblätter längs nebeneinander anordnen. Die Wasserstoffbrücken bilden sich in Zweiergruppen zwischen Sauerstoff- und Wasserstoff-Atomen aus.

Mehrere Faltblätter können außerdem anhand ihrer Ausrichtung zueinander beschrieben werden. Parallele Faltblätter sind genau gleich ausgerichtet, die Reste zeigen jeweils in dieselben Richtungen. Antiparallele Faltblätter hingegen sind genau entgegengesetzt zueinander angeordnet. Zeigt ein Rest bei einem Faltblatt nach oben, ist der Rest des benachbarten Faltblatts an derselben Stelle nach unten gerichtet.

Sonstige Strukturen

Wird in der Proteinstruktur eine Wendung eingeleitet, ist oft eine Schleife im Einsatz. Dabei bilden sich Wasserstoffbrücken auf eine solche Weise aus, dass die Peptidkette eine Schlaufe vollziehen und somit eine komplette Richtungsänderung eingehen kann.

Abschnitte der Peptidkette, die sich nicht zu Faltblättern oder Helices anordnen, erscheinen als zufällig. Sie haben keine sich wiederholende spezifische Struktur, weshalb diese Teile auch als random coils (dt.: beliebige Windungen) bezeichnet werden.

Sekundärstrukturen in Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind ein Überbegriff für Moleküle wie die DNA oder die RNA. Vielleicht hast Du schon einmal davon gehört, dass die DNA eine Doppelhelix-Struktur hat. Diese Form der DNA kann durch Sekundärstrukturen und Wasserstoffbrücken erklärt werden.

Doppelhelix Struktur der DNA

Die DNA besteht aus zwei gegenüberliegenden Strängen, in denen sich die vier Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin abwechseln. Aufgeklappt ähnelt ihre Struktur einer Leiter und die Sprossen werden von jeweils zwei Basen gebildet, die sich in den Strängen gegenüber befinden. Dabei muss beachtet werden, dass zwei Basen, die eine Sprosse bilden, zueinander komplementär sind.

Komplementäre Basenpaare sind Adenin-Thymin und Cytosin-Guanin. Sie können jeweils Wasserstoffbrücken zwischen sich ausbilden und somit die zwei Einzelstränge in jeder Sprosse zu einem Doppelstrang zusammenhalten. Allerdings liegt die DNA in einer Zelle nicht flach, wie eine Leiter vor, sondern ist eingedreht. Die beiden Stränge winden sich umeinander und bilden somit eine Doppelhelix.

Sekundärstrukturen in der RNA

Die RNA hat einen Aufbau, der einer DNA sehr ähnlich ist. Allerdings liegt ein RNA-Strang meistens als Einzelstrang vor und nicht als Doppelstrang. In diesem Einzelstrang können sich weitere Elemente der Sekundärstruktur ausbilden.

Stems als Elemente der Sekundärstruktur

Manche Stellen eines RNA-Stranges können komplementär zueinander sein und dazu führen, dass sich der Einzelstrang stellenweise zu einem Doppelstrang zusammenlagert. Diese Strukturen sind vergleichbar mit der bisher beschriebenen DNA-Doppelhelix.

Loops als Elemente der Sekundärstruktur

Zwischen den komplementären stem-Bereichen der RNA befinden sich allerdings oft noch wenige Basen, die nicht komplementär zueinander sind und sich deshalb auch nicht paaren. Dadurch kann es zu sogenannten loop-Strukturen (Schlaufen) kommen.

Die Sekundärstruktur von RNA hat allerdings nicht nur den Zweck, die RNA stabil und kompakt zu halten, sondern erfüllt auch weitere wichtige Aufgaben.