Die Funktion des hier vorgestellten Blocks E wird am klarsten, wenn wir das Lernwegsdiagramm betrachten. In den Blocks A, B und C wurden stereochemische Grundlagen vorgestellt.

In Serie D wurden dann viele biochemisch wichtige niedermolekulare Stoffe in Form der Modelle demonstriert. Nun soll in der Serie E die Struktur einer Reihe interessanter Biomakromoleküle besprochen werden.

In Spot D 44 wurden bereits einige Grundtatsachen zur Peptitbindung besprochen. Wir wollen hier noch einige weitere Feinheiten nachtragen, die für das Verständnis der Proteinstruktur wissenswert sind.

Wir sehen hier die bereits schon einmal abgeleitete Formel der Peptitbindung. Das dazugehörige Frameworkmodell zeigt das Vorliegen einer Doppelbindung zwischen C und O und eine sekundäre Aminogruppe.

Eine modelhafte Darstellung versucht auch noch, die Orbitale der frei beweglichen Elektronenpaare am Stickstoff und an der CO-Doppelbindung sichtbar zu machen. Da nun der Sauerstoff sehr elektronegativ ist, zieht er die Elektronen der Doppelbindung zu sich.

Darauf folgen die Elektronen des freien Elektronenpaars am Stickstoff diesem Zug, sodass eine Art Doppelbindung zwischen Stickstoff und Kohlenstoff entsteht.

In Formeln kann man die beiden Extremzustände so darstellen wie in unserem Bild. In Wirklichkeit liegt jedoch, wie das auch der Mesomeriefeil andeutet, keine der beiden Formen vor.

Es ist vielmehr nur der Zwischenzustand realisiert, den unser Modell jetzt zeigt. Alle freie beweglichen Elektronen sind zu einer gemeinsamen Elektronenwolke zusammengeflossen.

Wir zeigen sie auch noch einmal durchsichtig, um die Lage der Sigma-Bindungen zu demonstrieren. Man hat etwa 40% Doppelbindungsanteil an der Kohlenstoff-Stickstoffbindung gemessen.

Der Doppelbindungscharakter der CO-Bindung beträgt etwa 60%.

Elektronendichteberechnungen bestätigen das Bild von der Rolle des Sauerstoffs und der Elektronenverschiebung. Der Sauerstoff hat eine relativ hohe Elektronendichte. Am Kohlenstoff- und am Stickstoffatom beobachtet man das korrespondierende Elektronendifizit.

Die Elektronendelokalisation hat einige Konsequenzen. Zuerst einmal wird durch den Doppelbindungscharakter an der CN-Bindung die freie Drehbarkeit eingeschränkt und es lässt sich die Bildung Cis-Trans-Isomera vorhersehen.

Das ist auch tatsächlich der Fall. Wir zeigen hier die verkürzten Formeln und Modelle der Isomeren. In Cis-Stellung stehen zum Beispiel die beiden Kohlenstoffatome sehr nahe zueinander.

Die Transform hat mit dem größeren Abstand gleicher Partner den geringeren Energiegehalt. Sie ist daher stabiler und in der Proteinchemie einzig vorkommend.

Aufbauend auf diese Verhältnisse haben wir ein Drahtgabel-Modell der Peptitbindung entwickelt, das die Einschränkung der freien Drehbarkeit symbolisiert. Es ist in der Trans-Konfiguration erstellt. Unser Modell demonstriert die Ebene der Peptitbindung gut.

Wir haben die van der Waalsradien der Atome eingesetzt. Die zweite Konsequenz bezieht sich auf das Wasserstoffatom am Stickstoffatom. Da das Stickstoffatom schwach positiv geladen ist, zieht es die bindenden Elektronen zwischen Stickstoff und Wasserstoff an.

Das Wasserstoffatom kann daher als Proton abdissoziieren. Allerdings ist die Peptitgruppe nur eine ganz schwache Säure.

Als Protonenakzeptor kann der negativ geladene Sauerstoff der Carbonylgruppe wirken. Auch hier sind die Baseneigenschaften nur schwach ausgeprägt.

Der Inderramachandran hat eine Darstellungsweise entwickelt, mit deren Hilfe die Konformation von Proteinstrukturen übersichtlich beschrieben werden kann.

Wir zeigen hier ein Modell von zwei Peptit-Ebenen. Sie stoßen an der Stelle des Alpha-Kohlenstoffatoms zusammen. Es herrscht freier Drehbarkeit um die Achsen zwischen C und N und zwischen C und C.

Als Folge resultiert eine Fülle von Konformären, von denen allerdings nur einige stabil sind. So sind zum Beispiel Formen nicht möglich, bei denen gleiche Atome auf der gleichen Seite angenähert zueinander stehen, also die beiden CO-Gruppen in Cis-Stellung zueinander oder beide NH-Gruppen in Cis-Stellung.

Die gleichsinnig geladenen Gruppen stoßen sich ab. Darüber macht der Raumbedarf der Atome eine vollkommen ebene Anordnung nicht möglich. Zwischen diesen beiden Extremzuständen sind nun aber einige Konformationen von allen Denkbaren besonders wichtig.

Zu ihrer Beschreibung geht man von der planaren Anordnung aus, in der die CO-Gruppen in Trans-Stellung zueinander stehen.

Wir zeigen diese Ausgangsstellung hier. Man stellt sich jetzt gleichsam auf den Standpunkt des Alpha-Kohlenstoffatoms und blickt in die Richtung der Kohlenstoff-Kohlenstoffbindung. Man misst den Winkel, um den man die Ebene drehen muss,

wobei man gleichsam am Sauerstoffatom anfasst. Der Winkel wird Psi genannt. Nun macht man eine Kehrtwendung und guckt in Richtung der Kohlenstoff-Stickstoffbindung.

Man dreht jetzt die zweite Peptitebene wiederum gleichsam am Sauerstoffatom anfassend. Der Drehwinkel wird mit Phi in der Literatur bezeichnet.

Wiederholen wir kurz. Ausgehend von der Trans-Stellung der CO-Gruppen wird, immer am Sauerstoffatom des Modells anfassend gedreht, bis die Peptitebene unter dem geforderten Winkel steht.

Phi gleich 180 Grad und Psi gleich 0 ergibt maximale Überlappung der Carbonyl-Sauerstoffatome,

eine Konformation, die wir oben bereits als unmöglich ausgeschlossen haben. Diese Kombination von Phi-Psi-Werten ist also nicht realisierbar. Genau wie die umgekehrte mit Phi gleich 0 und Psi gleich 180 Grad.

Nach Ramachandran drägt man nun in einem Diagramm auf der Ordinate die Psi-Werte, auf der Abszisse die Phi-Werte auf.

Wir sehen hier einige Konformationen durch rote Punkte im Ramachandran-Diagramm markiert. Viele stabile Konformationen kommen in einem Bereich von Phi gleich 120 Grad vor, den wir schraffierten.

Von den vielen Strukturen wollen wir die drei häufigsten hier herausgreifen.

Mit Phi gleich 130 Grad und Psi gleich 120 Grad entsteht, bei vielfacher Wiederholung dieser Konformation, die sogenannte Alpha-Helix.

Die Basis-Einheit aus zwei Peptitebenen zeigen wir hier. Eine andere wichtige Struktur entsteht mit Phi gleich 40 Grad und Psi gleich 315 Grad.

Durch häufige Verknüpfung in dieser Konformation entsteht das sogenannte Faltblatt.

Schließlich wollen wir noch die Grundeinheit für die sogenannte Polyprolin-Kette vorstellen.

Die am häufigsten vorkommende Proteinsekundärstruktur ist die Alpha-Helix.

Die Alpha-Helix wird jetzt unter Zuhilfenahme unseres Modells der Grundeinheit der Alpha-Helix aufgebaut. Ihre Konformation hatten wir bereits beim Ramachandran-Diagramm besprochen.

Durch häufige Wiederholung wird schließlich die Helix erhalten.

Das Rückgrat der Alpha-Helix zeigt eine schraubenförmig ansteigende Spirale.

Die Ganghöhe beträgt etwa 5,4 Angströme.

In der Helix sind 3,6 Aminosäureeinheiten pro Steigung enthalten.

Der Durchmesser der Helix beträgt ungefähr 3,7 Angströme. Zwischen den negativ geladenen Carbonylgruppen und den Wasserstoffatomen der NH-Gruppen der Peptitbindung

bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen aus, die wir durch weiße Plastikröhrchen markieren. Man sieht, dass jede Peptitgruppe zur Wasserstoffbrückenbindung befähigt ist, weil die Sauerstoffatome der Carbonylgruppe einer Aminogruppe genau gegenüberstehen.

Es gibt damit auch 3,6 Wasserstoffbrücken pro Steigung.

Löst man eine Wasserstoffbrücke am Modell, dann wird beim Schütteln des Modells die Struktur kaum beeinflusst. Genau wie nach dem Aufbrechen der zweiten. Das Modell schwankt jedoch schon stärker. Wird die dritte Brückenbindung in einer Windung gelöst, dann bricht unser Modell zusammen.

Man nennt diesen Vorgang der Änderung der Konformation Denaturierung. Der Prozess ist in der Proteinchemie von zentraler Bedeutung. Halten wir noch fest, dass Proteine in der unzerstörten Konformation Nativ genannt werden.

Das Modell erklärt auch, warum native Proteine an der Peptitbindung relativ schlecht hydrolytisch zerlegt werden können.

Die Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren das dreidimensional vernetzte Gebilde. Wird das Eiweiß dagegen denaturiert, dann ist der hydrolytische Angriff erleichtert und daher erfolgreicher durchführbar.

Das erklärt auch, warum rohes Eiweiß schlechter verdaut wird als denaturiertes. Zwar kann die Salzsäure des Magens Proteine denaturieren. Bei größeren Eiweißmengen reicht sie jedoch nicht aus, so dass es in solchen Fällen zu Magenbeschwerden kommen kann.

Denaturiertes Eiweiß ist dagegen sehr viel besser verdaubar. Die Wasserstoffbrücken werden in der Alpha Helix nur innerhalb des gleichen Moleküls, also intramolekular, ausgebildet.

Wechselwirkungen zu anderen Molekülen können daher aus dem Peptitrückgrat nicht ausgehen. Unser Modell ist so natürlich noch nicht vollständig.

Es müssen noch die Reste R der Aminosäuren an die Alpha C-Atome angefügt werden. Man sieht, dass alle Reste nach außen aus der Helix herausragen. Das Verhalten des Proteinmoleküls zu seiner Umgebung, also etwa bei chemischen Reaktionen

oder in seiner Löslichkeit, wird durch die Art der Reste beeinflusst werden. Ein überwiegend Hydrophoberesste macht das ganze Molekül bzw. den Molekülabschnitt wasserabweisend und wasserunlöslich.

Wir zeigen hier ein solches Protein mit Hydrophobernatur.

Liegen viele polare Reste vor, dann besteht eine Fülle von Wechselwirkungsmöglichkeiten. So wird die Wasserlöslichkeit im Vergleich zu hydrophoben Proteinen deutlich verbessert.

Ein überwiegend saurer Reste erteilt dem Protein einen isoelektrischen Punkt im sauren Bereich. Die sauren Gruppen sind Carboxylgruppen und, in schwächerem Maß, phenolische OH-Gruppen.

Sind viele basische Gruppen beteiligt, dann liegt der isoelektrische Punkt im alkalischen Gebiet. Über OH-Gruppen, etwa aus Serinresten, können auf dem Wege über Estabildungsreaktionen chemische Reaktionen zu Nicht-Protein-Komponenten eingegangen werden.

So entstehen zum Beispiel Phosphoproteine durch Verästerung mit Phosphorsäure. Auch kann die OH-Gruppe des Serins mit Zuckern O-Glycosidisch verknüpft werden, wodurch Glykoproteine entstehen.

Eine andere Bildungsweise von Glykoproteinen beruht auf der Verknüpfung der Amitgruppe von Glutamin oder Asparagin mit einem Aminozucker.