Aminosäuren können miteinander verbunden werden, um Ketten zu bilden, die von zwei bis zu vielen Tausend Einheiten enthalten. Kurze Ketten werden als Peptide bezeichnet, während längere Ketten als Polypeptide bezeichnet werden, zu denen auch Proteine gehören. Eine Aminosäuresequenz ist einfach die Reihenfolge dieser Einheiten in einer Polypeptidkette. Bei Proteinen bestimmt die Sequenz die dreidimensionale Struktur des Moleküls, die wiederum entscheidend für die Funktion des Proteins ist. Die Aminosäuresequenzen in den Proteinen eines lebenden Organismus sind in der DNA dieses Organismus kodiert.
Aminosäurestruktur
Aminosäuren haben alle eine allgemeine Struktur bestehend aus einem Kohlenstoffatom mit einer Aminogruppe (NH2) auf der einen Seite, einer Carboxylgruppe (COOH) auf der anderen und einer sogenannten R-Gruppe oder Seitenkette. „R“ steht für Radikal, was in diesem Zusammenhang einfach ein Teil eines Moleküls bedeutet. Es ist die Zusammensetzung der Seitenkette, die verschiedene Aminosäuren voneinander unterscheidet. Bei der einfachsten, Glycin, besteht es nur aus einem Wasserstoffatom, bei anderen ist die Seitenkette jedoch komplexer. In Tyrosin hat es beispielsweise eine Ringstruktur, und in Lysin besteht es aus einer langen Kohlenwasserstoffkette – einem Molekül, das aus einem Kohlenstoffrückgrat besteht, an das Wasserstoffatome gebunden sind.
Wie sich Sequenzen bilden
Die Aminogruppe ist basisch und positiv geladen, während die Carboxylgruppe sauer und negativ geladen ist. Da Säuren und Basen miteinander reagieren, kann die Aminogruppe einer Aminosäure mit der Carboxylgruppe einer anderen verbunden werden. Dies wird als Peptidbindung bezeichnet und setzt als Nebenprodukt ein Wassermolekül frei. Solche chemischen Prozesse werden als Kondensationsreaktionen bezeichnet, weil dabei ein Teil jedes Moleküls verloren gegangen ist: Das H aus der NH2 und das OH aus der COOH-Gruppe verbinden sich zu Wasser (H2O). Streng genommen sollten die Aminosäureeinheiten, die Peptide und Proteine bilden, als Aminosäurereste bezeichnet werden, aber sie werden normalerweise nur als Aminosäuren bezeichnet.
Sequenzbeschreibungen
Eine Kette dieser Einheiten weist typischerweise an einem Ende eine Aminogruppe und am anderen eine Carboxylgruppe auf. Aus Konsistenzgründen werden die Sequenzen von links nach rechts beschrieben, mit dem Aminoende, bekannt als N-Terminus, links und dem Carboxylende oder C-Terminus rechts. Es ist jedoch auch möglich, dass die gegenüberliegenden Enden einer Polypeptidkette eine Peptidbindung bilden, wodurch ein zyklisches Molekül entsteht.
Proteine und andere Polypeptide können daher durch die Sequenz von Aminosäureeinheiten beschrieben werden. Der Kürze halber werden die Namen der Einheiten in der Regel auf drei oder nur einen Buchstaben abgekürzt. Im Drei-Buchstaben-System ist Arginin beispielsweise Arg, Leucin ist Leu und Prolin ist Pro. Im Ein-Buchstaben-System sind die Buchstaben für diese Einheiten R, L bzw. P. Daher könnte eine bestimmte Aminosäuresequenz als Leu-Arg-Leu-Pro-Arg-Pro oder als LRLPRP dargestellt werden.
Proteinform und -funktion
Die Abfolge der Einheiten in einem Protein wird als seine Primärstruktur bezeichnet. Bindungen können sich aber auch zwischen den Seitenketten einer Polypeptidkette ausbilden, wodurch diese auf verschiedene Weise umgefaltet wird, und zwischen den Seitenketten benachbarter Polypeptidketten. Diese Bindungsarten tragen zu den sogenannten Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen von Proteinen bei, die die dreidimensionale Gesamtform der Moleküle bestimmen. Die Bindungen zwischen Seitenketten sind normalerweise schwächer als Peptidbindungen, und Faktoren wie Hitze und verschiedene chemische Stoffe können sie brechen, wodurch ein Protein seine Form verliert, aber die Primärstruktur erhalten bleibt. Dies wird als Denaturierung bezeichnet.
Obwohl es über 100 bekannte Aminosäuren gibt, finden sich nur etwa 20 in den Proteinen, aus denen lebende Organismen bestehen. Dennoch können diese 20 viele tausend verschiedene Sequenzen unterschiedlicher Länge bilden. Viele Proteine bestehen aus mehr als einer Polypeptidkette und können riesige Moleküle von enormer Komplexität bilden.
Proteine, Gene und DNA
Die DNA eines Organismus kann als eine Anleitung zum Zusammensetzen aller benötigten Proteine betrachtet werden. Die für jedes Protein erforderliche Aminosäuresequenz ist in der DNA in Form von Gruppen von drei Nukleotiden, sogenannten Codons, kodiert, von denen jedes eine bestimmte Aminosäureeinheit darstellt. Die Prozesse der DNA-Transkription und RNA-Translation ermöglichen es, diese Einheiten zu den richtigen Sequenzen zusammenzusetzen, um die notwendigen Proteine zu bilden, wenn sich Zellen teilen.
Zuerst wird die DNA transkribiert, um einen Strang von Messenger-RNA oder mRNA herzustellen. Die mRNA wandert aus dem Zellkern in das Zytoplasma der Zelle zu einem Ribosom, wo die Translation stattfindet. Die mRNA fungiert als Matrize für Aminosäuren und ermöglicht deren Verknüpfung. Für jedes Codon trägt die Transfer-RNA oder tRNA die entsprechende freie Aminosäure aus dem Zytoplasma zum Ribosom, wo sie mit der bestehenden Kette verbunden werden. Wenn die mRNA translatiert wird, werden die Einheiten verbunden, um die spezifische Sequenz für dieses Protein zu bilden.