So werden die Aminosäuren miteinander verknüpft – die

Proteine
Projekt 14
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S3
LEK
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Mediothek
So werden die Aminosäuren miteinander verknüpft – die Peptidbindung
Ein Protein besteht aus zahlreichen Aminosäuren, die durch sogenannte Peptidbindungen unter Wasserabspaltung miteinander verknüpft werden.
III/B
Eine Verbindung aus 2 Aminosäuren wird Dipeptid genannt. Oligopeptide sind eine
Kette aus bis zu 10 Aminosäuren. Polypeptide enthalten bis zu 100 Aminosäuren und
Polypeptide mit mehr als 100 Aminosäuren werden auch als Proteine bezeichnet.
Entstehung der Peptidbindung aus 2 Aminosäuren:
Aminosäure
Aminosäure
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Dipeptid
Wasser
Abbildung 2: Verknüpfung von Aminosäuren zum Dipeptid
Was macht Proteine aus? – die vier Ebenen der Proteinstruktur
Die 20 proteinogenen Aminosäuren kommen in jedem Protein in unterschiedlicher Menge
und Reihenfolge vor.
Die Reihenfolge, in der die einzelnen Aminosäuren aneinandergereiht sind,
bezeichnet man als Aminosäuresequenz. Sie bestimmt die Primärstruktur. Die
Primärstruktur ist jeweils charakteristisch für ein bestimmtes Protein und enthält bereits
die Information für dessen Eigenschaft und Funktion.
Abbildung 3: Die Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt die Primärstruktur
Aber mit dieser Kettenbildung ist das Protein noch lange nicht fertiggestellt und funktionstüchtig. Durch Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb der Polypeptidkette entstehen
räumliche Strukturen, die man als Sekundärstruktur bezeichnet.
Sie können als schraubenförmige α-Helix und als ß-Faltblatt ausgebildet sein, außerdem
liegen ungeordnete Bereiche vor.
α-Helix
ß-Faltblatt
Abbildung 4: Wasserstoffbrücken führen zur Ausbildung der Sekundärstruktur (z. B. α-Helix, ß-Faltblatt)
84 RAAbits Biologie März 2015
Proteine
Projekt 14
S5
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Was versteht man eigentlich unter einer Denaturierung?
III/B
Abbildung 7: Beim Braten eines Spiegeleis bewirkt die Hitze das Gerinnen
des Eiweißes
Das Kochen von Fleisch,
die Herstellung von Joghurt
oder Dauerwellen sind einige
Beispiele aus dem Alltag, bei
denen Denaturierungen stattfinden.
Auch im Zuge der Verdauung
spielt sie eine entscheidende
Rolle, denn nur in denaturierter
Form kann der Körper die
Nahrungsproteine verwerten.
Wird die Faltungsform eines Proteins zerstört, spricht
man von einer Denaturierung. Betroffen ist also die
Sekundärstruktur bzw. die Tertiärstruktur des
Proteins. Eine Denaturierung kann durch die Einwirkung von Hitze, Säuren, Laugen, Schwermetallsalzen
oder Ethanol erfolgen. Beim Vorgang der Denaturierung werden die Bindungen und Wechselwirkungen
zwischen den Molekülteilen aufgehoben. Die Primärstruktur bleibt dabei jedoch erhalten. Beim Braten
eines Spiegeleis findet beispielsweise eine Denaturierung statt. Das Eiweiß gerinnt (denaturiert) durch die
Hitze.
Durch die Aufhebung der Wechselwirkungen kommt es
zu einer Oberflächenvergrößerung des Proteins und
einem Verlust von dessen biologischer Funktion.
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© www.Colourbox.de
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Denaturierungsvorgänge sind
manchmal umkehrbar. Vor
allem
kleine
denaturierte
Proteine können sich, wenn
die Ursache für die Denaturierung wegfällt, spontan wieder
in ihre Ausgangsstruktur falten
und ihre Funktion aufnehmen.
Diesen Prozess nennt man
Renaturierung.
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Der Trick bei der Dauerwelle
Abbildung 8: Die Herstellung
von Dauerwellen beim Frisör
Bei einer Dauerwelle spielt die Denaturierung der
Keratine des Haars eine entscheidende Rolle.
Zur Herstellung von Dauerwellen dreht man zunächst
einzelne Haarteile auf eine Reihe von Lockenwicklern auf. Durch ein Reduktionsmittel werden die
Disulfidbrücken und Wasserstoffbrücken aufgebrochen und die α-Helix-Struktur der Keratine geht in
die ß-Faltblatt-Struktur über. Die Einwirkzeit beträgt
10–30 Minuten. Durch Hitzeeinwirkung kann der
Prozess beschleunigt werden. Das Haar nimmt dabei
die Form der Lockenwickler an.
Jetzt wäscht man das Reduktionsmittel gründlich
mit Wasser aus, trägt ein Oxidationsmittel auf und
lässt es etwa 10 Minuten einwirken. Dadurch bilden
sich neue Disulfidbrücken in einer anderen Position
aus und es entstehen erneut α-Helix-Strukturen. Die
Haare sind dauerhaft gewellt. Als Oxidationsmittel
kommt zumeist Wasserstoffperoxid (H2O2) zum
Einsatz.
84 RAAbits Biologie März 2015
Proteine
Projekt 14
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S 12
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M 3 Die Proteinaufnahme mit der Nahrung – auf die Menge
und Qualität kommt es an
Die körpereigenen Proteine bildet der menschliche Körper ausschließlich aus den Nahrungsproteinen. Er kann sie nicht aus anderen Nährstoffen selbst herstellen. Erfahre jetzt unter
anderem, was bei der Ernährung zu beachten ist.
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Die Qualität der Nahrungsproteine ist unterschiedlich
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Was passiert mit den Nahrungsproteinen im Körper?
Die mit der Nahrung aufgenommenen Proteine werden im Zuge der Verdauung im Magen
und Dünndarm denaturiert. Dadurch vergrößert sich ihre Oberfläche, sodass die
Verdauungsenzyme an ihnen besser angreifen können. So wirkt im Magen das Verdauungsenzym Pepsin. In der Bauchspeicheldrüse werden sogar mehrere Verdauungsenzyme gebildet und in den Zwölffingerdarm abgegeben.
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Im Dünndarm finden weitere wichtige Verdauungsprozesse statt. Dort werden Kohlenhydrate, Fette und eben auch Proteine gespalten. Die zur Spaltung der Proteine nötigen
Verdauungsenzyme stammen von der Bauchspeicheldrüse und der Dünndarmschleimhaut.
Dabei werden die Proteine in Di- und Tripeptide sowie freie Aminosäuren gespalten.
Über die Darmschleimhaut werden diese dann ins Blut aufgenommen. Im Blut werden
sie zusammen mit den Aminosäuren aus dem Abbau von Körperprotein zur Leber transportiert, dem zentralen Organ für den Auf-, Um- und Abbau von Aminosäuren (siehe
Tabelle 1 zur Verdauung der Nahrungsproteine).
Die Leber sorgt dafür, dass die Konzentration an freien
Aminosäuren im Blut relativ konstant gehalten wird. Diese
ist mit ca. 0,05 % aller im Körper vorkommenden Aminosäuren sehr gering. Bei einem Proteinmangel werden vor
allem Proteine in der Muskulatur und den Organen abgebaut.
Schon gewusst?
Peptidasen: Enzyme, die
eine Spaltung von Proteinen bewirken, werden als
Peptidasen bezeichnet.
84 RAAbits Biologie März 2015
Proteine
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S 18
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Lösungen (M 3)
Aufgabe 1
Der Körper hat fast keine Eiweißspeicher. Es wird aber täglich Eiweiß für das Wachstum
und für Reparaturleistungen benötigt. Zudem gehen Proteine über Ausscheidungen
verloren. Dieser tägliche Bedarf bzw. Verlust muss ausgeglichen werden.
III/B
Aufgabe 2
Obst und Gemüse haben in der Regel einen sehr geringen Eiweißgehalt. Für die tägliche
Eiweißversorgung spielen sie zumeist keine Rolle. Eine Ausnahme bilden allerdings die
Hülsenfrüchte und Soja. Ihr Eiweißgehalt ist mit dem von Fleisch vergleichbar. Allerdings
ist die Bioverfügbarkeit pflanzlicher Eiweißquellen geringer, sodass sie trotz des guten
Tabellenwertes nicht mit Fisch und Fleisch mithalten können.
Fisch und Fleisch besitzen einen hohen Eiweißgehalt und sind auch aufgrund der guten
Bioverfügbarkeit hervorragende Eiweißlieferanten.
Bei den Milchprodukten gibt es große Unterschiede: Milch und Joghurt haben einen
geringen, Quark und Frischkäse einen mittleren und Hartkäse einen hohen Eiweißgehalt.
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Der Eiweißanteil im Getreide liegt im Mittelfeld. Allerdings ist auch hier zu beachten, dass
die Bioverfügbarkeit relativ schlecht ist.
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Neben dem Eiweißgehalt spielt auch die biologische Wertigkeit eine Rolle. So hat Ei zwar
nur einen mittleren Eiweißgehalt, aber die biologische Wertigkeit ist hoch. Weizen hat fast
den gleichen Eiweißgehalt wie Ei, aber aufgrund der geringen biologischen Wertigkeit
ist es – als alleiniges Lebensmittel betrachtet – ein schlechterer Eiweißlieferant. Es kann
aber bei Lebensmittelkombinationen sehr wertvoll sein, da es dann andere Eiweißträger
aufwertet.
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Aufgabe 3
Einen hohen Eiweißgehalt mit guter Bioverfügbarkeit weisen vor allem tierische Produkte
auf, die ein Veganer aber nicht zu sich nimmt. Um auch aus pflanzlichen Nahrungsmitteln gut versorgt zu sein – also alle Aminosäuren zu erhalten – ist eine Kenntnis über die
Eiweißgehalte und besonders geeignete Lebensmittelkombinationen nötig.
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Aufgabe 4
Tom benötigt die – oft teuren – Shakes nicht. Für den Muskelaufbau und die Gesunderhaltung reicht das Eiweiß aus der Ernährung aus, vor allem wenn Tom Fleisch, Fisch, Käse,
Quark, Hülsenfrüchte und Eier auf dem Speiseplan hat. Eiweißshakes können dann leicht
zu einer Überversorgung führen und sogar dick machen. Denn oft wird der Kalorienverbrauch beim Sport überschätzt und die Shakes werden zusätzlich zu den normalen Mahlzeiten genommen. Dabei wird vergessen, dass auch Eiweiß in Fett umgewandelt wird,
wenn zu viel davon verzehrt wird. Noch kritischer sollte Tom sein, wenn in einem Shake
einzelne Aminosäuren besonders angereichert sind. Das kann zu Ungleichgewichten im
Körper führen.
Aufgabe 5
Die Proben mit Mehl, Milch und Quark färben sich violett. Nur sie enthalten also Eiweiß.
84 RAAbits Biologie März 2015
Proteine
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S 19
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M 4 Nahrungsmittelallergie, Zöliakie & Co. –
Krankheiten, bei denen Eiweiße eine Rolle spielen
Eiweiße sind für unseren Körper ein wichtiger Baustoff und haben als Biokatalysatoren
eine große Bedeutung. Doch sie können auch die Ursache für bestimmte Erkrankungen
sein. Erfahre jetzt mehr darüber.
Was steckt eigentlich hinter einer Allergie?
Bei einer Allergie reagiert das menschliche Immunsystem auf normalerweise harmlose
Stoffe aus der Umwelt. Es bildet vermehrt Antikörper gegen die vermeintliche Gefahrenquelle. Der Körper zeigt verschiedene Symptome, die individuell verschieden sind und
sich nicht auf bestimmte Organe begrenzen.
Die Auslöser einer Allergie werden als Allergene bezeichnet. Allergene sind Antigene,
gegen die sich die vom Immunsystem gebildeten Antikörper richten. Zumeist handelt es
sich dabei um Proteine.
Eine Allergie können unter anderem Pollen oder bestimmte Nahrungsmittel auslösen. In
letzterem Fall handelt es sich um eine Nahrungsmittelallergie. Bei ihr ist eine Eiweißkomponente des entsprechenden Lebensmittels der Auslöser.
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Wenn der Körper manche Proteine in Nahrungsmitteln nicht verträgt –
die Nahrungsmittelallergie
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Zu den häufigsten Symptomen einer Nahrungsmittelallergie gehören Reaktionen an Haut
und Schleimhaut. Beispiele dafür sind Hautrötung, Juckreiz sowie Quaddeln (siehe Abbildung 1). Oft kommen auch Reaktionen im Hals-Nasen-Ohren-Bereich (Niesattacken,
Fließschnupfen) und an den Bronchien (Husten, Atemnot, Verschleimung) vor. Auch der
Magen-Darm-Bereich ist vielmals betroffen. Es kommt zu Blähungen, Durchfall, Erbrechen, Übelkeit oder Verstopfung. Die schwerste allergische Reaktion auf Lebensmittel ist
der anaphylaktische Schock, der sich in Form eines lebensbedrohlichen Kreislaufzusammenbruchs äußert.
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Abbildung 1: Quaddeln sind punktartige Hauterhebungen
Wer unter einer Nahrungsmittelallergie leidet – und das sind nach Schätzungen des Deutschen Allergie- und Asthmabundes rund sechs Millionen Deutsche – muss die betreffenden Lebensmittel und Zutaten strikt meiden. Schließlich können schon geringe Spuren
die gefürchteten Symptome bis hin zum Tod auslösen.
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Proteine
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S 21
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Keine Allergie – die Lactoseintoleranz
Sind keine oder zu wenig Enzyme vorhanden, bleibt der Milchzucker unverändert und
wird im Dickdarm von Darmbakterien abgebaut. Dabei entstehen Gase und Säuren,
welche die typischen Symptome hervorrufen. Sie beschränken sich in der Regel auf den
Magen-Darm-Trakt. Nachweisen lässt sich eine Lactoseintoleranz mit einem Atemtest.
Dabei wird die Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft nach Einnahme der Testsubstanz untersucht. Anhand der ausgeatmeten Luft kann man auf krankhafte Veränderungen im Magen-Darm-Trakt schließen.
Bei einer Lactoseintoleranz muss der Konsum von Milchprodukten bis auf eine geringe
Menge eingeschränkt werden. Wie viel man von welchem Lebensmittel verträgt, muss
individuell ausprobiert werden. Es ist zu beachten, dass der Lactosegehalt in Milchprodukten sehr unterschiedlich ist. Doch Lactose ist nicht nur in Milchprodukten zu finden,
sondern „versteckt“ sich noch in weiteren Nahrungsmitteln. Zum Beispiel in Schokoaufstrich, Fertigsuppen, Fertigpüree und vielem mehr.
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Viele Produkte werden inzwischen als „lactosefrei“ angepriesen und sollen einen besonders gesunden Eindruck machen. Aber lactosefreie – und somit auch teurere – Produkte
machen nur Sinn, wenn wirklich eine Lactoseintoleranz festgestellt wurde und diese so
stark ausgeprägt ist, dass man auch geringe Mengen an Lactose nicht verträgt.
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Zöliakie – Schädigung der
Darmzotten durch Gluten
Etwa jeder 250. Deutsche leidet unter
Zöliakie. Auch bei dieser Erkrankung
ist es Eiweiß, das den Betroffenen
gesundheitliche Probleme bereitet.
Und zwar Gluten, das auch Klebereiweiß oder Kleber genannt wird und in
vielen Getreidesorten vorkommt.
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Zöliakie ist eine Autoimmunerkrankung, bei der die Darmzotten
durch einen Bestandteil des Glutens
geschädigt werden und sich zurückbilden. Dadurch schrumpft die Darmoberfläche und Nährstoffe, Mineralstoffe und Vitamine können nur noch
beschränkt aufgenommen werden.
Typische Symptome, welche Betroffene nach dem Verzehr glutenhaltiger Produkte haben, sind Bauchschmerzen, Durchfall und Blähungen.
Manchmal treten aber auch weniger
auffällige Symptome wie Appetitlosigkeit, Verstopfung, Gelenkbeschwerden,
Müdigkeit und schlechte Laune auf.
Zudem zeigt sich oft ein Eisen- oder
Folsäuremangel im Blut.
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Gluten – ein zum Backen wichtiges
Eiweißgemisch im Mehl
Gluten ist ein Stoffgemisch aus Proteinen. Es
bestimmt die Backeigenschaften des Getreidemehls wesentlich. Bei Zugabe von Wasser
verbinden sich die Eiweiße aus dem Stoffgemisch und können eine große Menge an
Wasser aufnehmen. Dabei bestimmt der Anteil
an Kleber im Mehl die Fähigkeit, Wasser
zu binden, und dementsprechend auch die
Teigausbeute. Das Gluten sorgt zudem dafür,
dass aus dem Mehl bei Wasserzugabe ein
gummiartiger und elastischer Teig wird. Beim
Gären von Gebäck hält das im Weizenteig
enthaltene Gluten das entstehende Kohlendioxid gut zurück und sorgt auf diese Weise
dafür, dass der Teig gut aufgehen kann.
© Petr Brož
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Wer nach dem Genuss von Milchprodukten über Blähungen, Durchfall, Krämpfe oder
Bauchschmerzen klagt, kann auch auf die Kohlenhydrate in der Milch – den Milchzucker (Lactose) – reagieren. Dabei handelt es sich nicht um eine Allergie. Die Symptome
werden vielmehr durch einen Mangel an dem Verdauungsenzym Lactase hervorgerufen. Das Enzym sorgt normalerweise dafür, dass das Disaccharid Lactose (Milchzucker) im Dünndarm in seine zwei Bestandteile zerlegt wird. Diese können dann über
die Darmschleimhaut in das Blut aufgenommen werden.
Abbildung 2: Gluten macht den Teig
elastisch und unterstützt den Gärprozess