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Proteine und Aminosäuren

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Die Autor*innen
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Nashi Su
Proteine und Aminosäuren
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Grundlagen zum Thema Proteine und Aminosäuren

Inhalt

Proteine und Aminosäuren – Biologie

Proteine, auch Eiweiße genannt, sind zentraler Bestandteil der Stoffwechselprozesse aller Organismen. Sie kommen überall in der Natur vor. Proteine bestehen aus einer bestimmten Abfolge und Anordnung von Aminosäuren. Was Proteine und Aminosäuren genau sind und welche Funktionen und Eigenschaften Proteine und Aminosäuren haben, erfährst du in diesem Text.

Aminosäuren – Struktur und Definition

Mit dem Begriff Aminosäure meint man häufig die proteinogenen Aminosäuren. Diese stellen Bausteine der Proteine dar und davon sind 22 bekannt. Von diesen 22 Aminosäuren gehören 20 zu den kanonischen Aminosäuren. Das bedeutet, dass sie durch Codons des genetischen Materials codiert werden. Da diese Aminosäuren in der Biologie eine grosse Bedeutung haben, befassen wir uns in diesem Text ausschließlich mit genau diesen 20 Aminosäuren. Es existieren jedoch einige Hundert nichtproteinogene natürlich vorkommende sowie synthetisch hergestellte Aminosäuren.

Bei den proteinogenen Aminosäuren handelt es sich um Carbonsäuren, die eine Aminogruppe ($\ce{-NH2}$) am $\alpha$-Kohlenstoffatom tragen. Man nennt sie deshalb auch $\alpha$-Aminosäuren. Dieses Kohlenstoffatom ist mit der Carboxylgruppe ($\ce{-COOH}$) benachbart. Die Grundstruktur einer Aminosäure lässt sich mithilfe folgender Strukturformel darstellen:

Aminosäure Aufbau, Aminosäure Biologie

Das R steht für Rest bzw. Seitenkette. Im Aufbau dieses Rests unterscheiden sich die Aminosäuren. Die Seitenketten können aus Alkylgruppen, aromatischen Ringen oder weiteren Carboxylgruppen und Aminogruppen bestehen.

Aminosäuren – Übersicht

Die Einteilung der proteinogenen Aminosäuren erfolgt durch den Rest am $\alpha$-Kohlenstoffatom. Besteht dieser aus einer Alkylgruppe, spricht man von aliphatischen Aminosäuren. Enthält die Seitenkette Aromaten, bezeichnet man diese Aminosäuren als aromatisch. Sind zusätzliche Carboxyl- oder Aminogruppen in der Seitenketten vorhanden, handelt es sich um saure bzw. basische Aminosäuren. Vereinzelt ist auch der Einbau von Schwefel oder Hydroxylgruppen möglich. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über alle 20 proteinogenen Aminosäuren und deren chemische Zuordnung:

Aminosäure Abk.
(Code)
AS-Rest (R) Charakter
von R
Acidität oder
Basizität
von R
Alanin Ala (A) $\footnotesize{-CH_3}$ aliphatisch neutral
Arginin Arg (R) $\footnotesize{-CH_2CH_2CH_2NH}$
$\footnotesize{-C(NH)NH_2}$
aliphatisch basisch (stark)
Asparagin Asn (N) $\footnotesize{-CH_2CONH_2}$ aliphatisch neutral
Asparaginsäure Asp (D) $\footnotesize{-CH_2COOH}$ aliphatisch sauer
Cystein Cys (C) $\footnotesize{-CH_2SH}$ aliphatisch neutral
Glutamin Gln (Q) $\footnotesize{-CH_2CH_2CONH_2}$ aliphatisch neutral
Glutaminsäure Glu (E) $\footnotesize{-CH_2CH_2COOH}$ aliphatisch sauer
Glycin Gly (G) $\footnotesize{-H}$ aliphatisch neutral
Histidin His (H) $\footnotesize{-CH_2(C_3H_3N_2)}$ aromatisch basisch (schwach)
Isoleucin Ile (I) $\footnotesize{-CH(CH_3)CH_2CH_3}$ aliphatisch neutral
Leucin Leu (L) $\footnotesize{-CH_2CH(CH_3)_2}$ aliphatisch neutral
Lysin Lys (K) $\footnotesize{-CH_2CH_2CH_2CH_2NH_2}$ aliphatisch basisch
Methionin Met (M) $\footnotesize{-CH_2CH_2SCH_3}$ aliphatisch neutral
Phenylalanin Phe (F) $\footnotesize{-CH_2(C_6H_5)}$ aromatisch neutral
Prolin Pro (P) $\footnotesize{{-CH_2CH_2CH_2}-}$ heterocyclisch neutral
Serin Ser (S) $\footnotesize{-CH_2OH}$ aliphatisch neutral
Threonin Thr (T) $\footnotesize{-CH(OH)CH_3}$ aliphatisch neutral
Tryptophan Trp (W) $\footnotesize{-CH_2(C_8H_6N)}$ aromatisch neutral
Tyrosin Tyr (Y) $\footnotesize{-CH_2(C_6H_4)OH}$ aromatisch neutral
Valin Val (V) $\footnotesize{-CH(CH_3)_2}$ aliphatisch neutral

Aminosäuren, die ein tierischer Organismus benötigt, jedoch nicht selbst herstellen kann, nennt man essenzielle Aminosäuren. Sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Beim Menschen sind Valin, Methionin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Tryptophan, Threonin und Lysin essenzielle Aminosäuren.

Proteine – Struktur und Definition

Im Folgenden wird die biologische Bedeutung der Proteine betrachtet. Alle Proteine bestehen aus einer Kombination von proteinogenen Aminosäuren. Man nennt diese Abfolge auch Aminosäuresequenz. Die Reihenfolge und die Seitenketten der Aminosäuren bestimmen deren Eigenschaften und legen damit die Strukturmerkmale und die Funktion des Proteins fest. Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein ist im genetischen Code der DNA festgelegt.

Zwei Aminosäuren verbinden sich, wenn die Carboxylgruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe einer anderen Aminosäure unter Wasserabspaltung reagiert. Es entsteht ein Dipeptid und die Aminosäuren sind durch eine Peptidbindung miteinander verbunden:

Was sind Proteine in Biologie, Peptidbindung

Proteine – Strukturebenen

Entstehen lange Ketten, die aus 10 bis etwa 2 000 Aminosäuren bestehen können, spricht man von Polypeptiden. Von Proteinen spricht man bei Polypeptiden mit mehr als 100 verbundenen Aminosäuren. Es existieren bei den Proteinen vier Strukturebenen, die wir uns nun genauer anschauen wollen.

Die Aminosäuresequenz, also die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein, wird dabei als Primärstruktur bezeichnet.

Innerhalb der Polypeptidkette kommt es zur Ausbildung von schwachen Wechselwirkungen zwischen den Peptidbindungen. Diese werden als Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet. Die so entstehende Struktur wird als Sekundärstruktur bezeichnet und liegt in zwei Grundformen vor: der $\alpha$-Helix und dem $\beta$-Faltblatt. Bei der $\alpha$-Helix ist die Grundstruktur des Proteins schraubig ausgebildet und beim $\beta$-Faltblatt liegt die Polypeptidkette gefaltet vor.

Die spezifische Raumgestalt eines Proteins wird als Tertiärstruktur bezeichnet. Diese entsteht durch chemische Wechselwirkungen zwischen den Sekundärstrukturen. So können Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, kovalente Bindungen oder Ionenbindungen ausgebildet werden.

Die Quartärstruktur gibt zum Schluss noch Informationen darüber, wie die einzelnen Tertiärstrukturen angeordnet sind. Diese komplexe Struktur wird ebenfalls durch verschiedene Wechselwirkungen zusammengehalten.

In der folgenden Abbildung ist der räumliche Aufbau der Proteine schematisch dargestellt. Die Sekundärstruktur ist hier als $\alpha$-Helix visualisiert.

Strukturebene Proteine, Proteine Steckbrief Biologie

Proteinstruktur und ihre Strukturebenen kurz zusammengefasst:

  • Primärstruktur: Sie gibt Auskunft über die Reihenfolge der Aminosäurebausteine (Aminosäuresequenz).
  • Sekundärstruktur: Sie gibt Auskunft über Formen der komplexen räumlichen Struktur (z. B. $\alpha$-Helix oder $\beta$-Faltblatt).
  • Tertiärstruktur: Sie gibt Auskunft über die Anordnung und die verschiedenen Kombinationen der Sekundärstrukturen.
  • Quartärstruktur: Sie gibt Auskunft über die Anordnung der Tertiärstrukturen.

Proteine – Vorkommen und Beispiele

Proteine haben eine besondere Bedeutung im Stoffwechsel aller Lebewesen. Aber was genau machen Proteine? Es gibt viele unterschiedliche Arten von Proteinen. Als Enzyme katalysieren sie zum Beispiel Stoffwechselprozesse. Außerdem spielen sie als Membranproteine und Rezeptoren eine entscheidende Rolle in der Signalweiterleitung im Körper. Als Strukturproteine sind sie beispielsweise an der Bildung von Haaren beteiligt.

Proteine sind einfach erklärt an allen wesentlichen Lebensprozessen wie Stoff- und Energiewechsel, Vererbung und Fortpflanzung beteiligt. Sie erfüllen dabei im menschlichen Körper sehr viele unterschiedliche Funktionen.

Nachweis von Proteinen

Es gibt verschiedene Verfahren, um Proteine nachweisen zu können. Die wohl bekanntesten sind die Xanthoproteinreaktion und die Biuretreaktion. Die Xanthoproteinreaktion zeigt beim Vorhandensein von aromatischen Proteinen eine gelbe Verfärbung und bei der Biuretreaktion zeigt sich eine Violettfärbung bei Anwesenheit von Verbindungen mit Peptidbindungen. Der Nachweis von Proteinen kann auch über den sogenannten Ninhydrinnachweis stattfinden. Dabei können nur frei liegende Aminogruppen nachgewiesen werden. Es handelt sich also eher um den Nachweis von Aminosäuren.

Dieses Video

In diesem Video wird dir einfach erklärt, was Proteine und Aminosäuren sind. Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter zu Proteinen und Aminosäuren zu bearbeiten. Viel Spaß!

Transkript Proteine und Aminosäuren

Hallo, ich bin Natascha und wir wollen uns heute die Proteine und ihre Bausteine, die Aminosäuren anschauen. Wir wollen herausfinden, wie sie aussehen und aufgebaut sind, was sie im Körper machen und was für verschiedene Arten von Proteinen es gibt.  Das Wort Protein leitet sich vom griechischen Wort "protos" ab, was soviel bedeutet wie "Erstes" oder "Wichtigstes". Und wirklich sind die Proteine nicht aus einem lebendigen Organismus herauszudenken. Sie sind nicht nur die häufigsten organischen Bauteile des Körpers, sondern sind notwendig für fast alle Prozesse, die im Körper stattfinden. Das liegt daran, dass Proteine so verschiedene Funktionen erfüllen können wie Signalstoffe erkennen, Stoffe binden, transportieren und wieder abgeben, Ionen pumpen, Reaktionen katalysieren oder Strukturen, wie z.B. ein Haar, stabilisieren. Wollen wir verstehen, wie ein Protein aufgebaut ist, kommen wir nicht drum herum, uns erst einmal mit den Aminosäuren vertraut zu machen. Im menschlichen Körper gibt es 21 verschiedene Aminosäuren, die alle einen einheitlichen Bauplan haben. In der Mitte steht ein Kohlenstoffatom. Daran gebunden ist ein Wasserstoffatom, eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe und ein Rest. Dieser Rest wird auch Seitenkette genannt und bestimmt, was für eine Aminosäure wir vor uns haben. Er kann entweder ein einzelnes Atom sein oder eine ganze Gruppe von Atomen. Das wichtigste Prinzip für die Bildung eines Proteins ist die Peptidbindung. Jede Carboxylgruppe einer Aminosäure kann sich nämlich unter Wasserabspaltung mit der Aminogruppe einer anderen Aminosäure verbinden. Wenn 2 Aminosäuren sich miteinander verbinden, haben wir das einfachste Peptid, das Dipeptid. Kurze Aminosäureketten von weniger als 10 Aminosäuren nennt man Oligopeptide. Lange Ketten von 50 bis ca. 2000 Aminosäuren, heißen Polypeptide. Und erst bei Polypeptiden spricht man auch von Proteinen, die meist aus Hunderten oder Tausenden von Aminosäuren bestehen.  Wenn wir ein Protein ansehen, dann ist die Reihenfolge der Aminosäuren ausschlaggebend dafür, welches Protein gebildet wurde. Diese lange Sequenz von Aminosäuren, die aussieht wie ein langer Faden, wird auch Primärstruktur genannt. Diese Primärstruktur bildet sozusagen das Grundgerüst. Allerdings findet man ein Protein meist nicht in dieser Form in einer Zelle vor. Stattdessen gehen die Seitenketten der Aminosäuren an manchen Stellen untereinander noch mal Bindungen ein und bilden alpha-Helixen, die wie kleine Spiralen aussehen, oder beta-Faltblätter. Diese Formen werden Sekundärstruktur genannt und sind zweidimensional. Als Tertiärstruktur wird dann die dreidimensionale Anordnung aller Moleküle eines Proteins im Raum bezeichnet. Diese Struktur kommt dadurch zustande, dass sich gleich geladene Seitenketten abstoßen und unterschiedlich geladene Seitenketten anziehen. Es gibt Wasserstoffbrückenbindungen oder Ionenbindungen zwischen sauren und basischen Seitenketten. Zusätzlich stabilisieren sogenannte kovalente Bindungen zwischen Schwefelatomen die räumliche Struktur. Auf diese Art und Weise entsteht dann ein Proteingebilde, das zum Beispiel lang gestreckt ist wie bei den Faserproteinen. Oder die Tertiärstruktur bildet eine annähernd kugelige Form. Diese Proteine werden auch globuläre Proteine genannt. Und je nachdem, wie die Oberflächenstruktur eines Proteins aussieht, wird darüber auch seine Funktion bestimmt. So gibt es zum Beispiel Rezeptor-Proteine, die nur reagieren, wenn ein Botenstoff sich an sie bindet, der wie ein Schlüssel ins Schlüsselloch passt. So wird also die Primärstruktur des Proteins durch die Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt. Die Primärstruktur wiederum bestimmt die Sekundärstruktur. Die Sekundärstruktur gibt die Tertiärstruktur vor und diese bestimmt die Funktion eines Moleküls.  Wir wissen jetzt also, dass Proteine überall im Körper zu finden sind, und haben viele Beispiele für ihre Funktionen gesehen. Wir kennen den Aufbau einer Aminosäure und wissen, wie sie sich zu Peptiden und Proteinen zusammensetzen. Wir kennen auch die verschiedenen Strukturen der Proteine und wissen, wie sie zustande kommen.  Ich hoffe, es hat euch gefallen und wir sehen uns beim nächsten Video. 

28 Kommentare

28 Kommentare
  1. Hallo Lara,
    vielen Dank für deine Frage!
    Der Mensch nutzt 21 Aminosäuren zum Bau von Proteinen (proteinogene Aminosäuren). 20 dieser Aminosäuren werden durch Codons des genetischen Materials kodiert. Sie werden auch als kanonische Aminosäuren bezeichnet. Für die 21. Aminosäure – es handelt sich dabei um Selenocystein – existiert kein eigener Code im genetischen Material. Sie wird durch einen Prozess, der als „Recodierung“ des genetischen Materials bezeichnet wird, in Proteine eingebaut.
    Ich hoffe, ich konnte dir weiterhelfen.
    Falls du noch weitere Fragen hast, helfen dir gerne unsere Lehrerinnen und Lehrer des Hausaufgabenchats weiter. Der Chat ist von Montag bis Freitag von 17 bis 19 Uhr für dich da.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor 11 Monaten
  2. Hii
    Ich habe mal eine Frage. Oben wird erzählt, dass es 21 Aminosäuren im Körper gibt, aber wenn ich danach google finde ich auch viele Seiten, die schreiben es gibt nur 20. Was ist denn die korrekte und aktuell richtige Antwort?

    Von Lara, vor etwa einem Jahr
  3. An sich ein gutes Video (alles Wichtige darin enthalten und verständlich und anschaulich erklärt), aber echt fast zum Einschlafen …..

    Von Olafblack, vor mehr als 2 Jahren
  4. man soll vor dem Video ordentlich frühstücken.

    Von Nhizilla, vor mehr als 4 Jahren
  5. GUT

    Die stimme und die Art der Erzählung ist zum EINSCHLAFEN

    Von Riedl Lukas, vor mehr als 4 Jahren
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Proteine und Aminosäuren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Proteine und Aminosäuren kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe den Aufbau der Aminosäuren.

    Tipps

    Aminosäuren besitzen eine Aminogruppe.

    Aminosäuren besitzen eine Carboxylgruppe.

    Lösung

    Proteine werden aus Aminosäuren aufgebaut. Aminosäuren bestehen aus:

    • Kohlenstoffatom $C$
    • Wasserstoffatom $H$
    • Aminogruppe $NH_2$
    • Carboxylgruppe $COOH$
    • Rest (Seitenkette)
    Die einfachste Aminosäure ist Glycin (rechts dargestellt).

  • Stelle dar, welche unterschiedlichen Peptide bei der Verbindung von Aminosäuren entstehen können.

    Tipps

    Das Wort poly stammt aus dem Griechischen und bedeutet viele.

    Proteine gehören zu den Polypeptiden.

    Lösung

    Aminosäuren werden über Peptidbindungen verknüpft. Dabei entstehen bei der Verbindung von

    • 2 Aminosäuren Dipeptide,
    • 3 bis 9 Aminosäuren Oligopeptide,
    • über 10 bis ca. 2000 Aminosäuren Polypeptide.
    Von Proteinen spricht man bei Polypeptiden mit mehr als 100 verbundenen Aminosäuren.

  • Analysiere die Struktur der Proteine.

    Tipps

    Die Primärstruktur bestimmt die Sekundärstruktur. Die Sekundärstruktur bestimmt die Tertiärstruktur.

    Hämoglobin befindet sich in der Quartärstruktur.

    Lösung

    Bei der Struktur der Proteine unterscheidet man zwischen Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.

    Die Reihenfolge der Aminosäuren bezeichnet man als Primärstruktur, die das Grundgerüst bildet.

    Die Seitenketten gehen Bindungen ein und bilden so eine zweidimensionale Sekundärstruktur, die α-Helix oder das β-Faltblatt.

    Die dreidimensionale Anordnung der Moleküle bezeichnet man als Tertiärstruktur. Dabei sind chemische Bildungen zwischen den organischen Resten von großer Bedeutung, wie Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen und auch kovalente Bindungen.

    Die Quartärstruktur entsteht durch Wechselwirkungen zwischen mehreren Peptidketten eines Moleküls.

  • Beschreibe Charakteristika von Faserproteinen und globulären Proteinen.

    Tipps

    Globulär stammt von dem lateinischen Wort globus. Das bedeutet Kugel.

    Globuläre Proteine sind räumlich ausgedehnter und haben so Platz für die Einlagerung von Sauerstoff.

    Lösung

    Proteine können nach ihrer Struktur in zwei Gruppen unterteilt werden.

    Die globulären Proteine sind kugelförmig. Sie sind räumlich ausgedehnt und können so gut Sauerstoff einlagern, z.B. Hämoglobin. Auch in Speicherproteinen und Enzymen sind sie vorhanden. Sie sind wasserlöslich.

    Die fibrillären Proteine (Faserproteine) sind lang gestreckt und fadenförmig. Sie haben stützende Funktion und sind im Keratin der Haare und Nägel wie auch im Collagen des Stützgewebes anzutreffen. Sie sind nicht wasserlöslich.

  • Schildere die Bedeutung der Proteine für den menschlichen Körper.

    Tipps

    Das Wort Protein stammt vom griechischen Wort „protos" und bedeutet Erstes oder Wichtigstes.

    Enzyme, die im Körper als Katalysatoren wirken, bestehen aus Proteinen.

    Lösung

    Proteine sind die häufigsten Baustoffe des Körpers. Sie sind für fast alle Prozesse im Körper notwendig. Sie wirken als Transport-, Steuer- und Regelstoffe. Sie katalysieren die Reaktionen. Sie binden Stoffe, transportieren sie und geben sie wieder ab. Sie stabilisieren Strukturen, wie z.B. Haare.

  • Entscheide, welche Nachweisreaktionen zum Nachweis von Proteinen geeignet sind.

    Tipps

    Zwei der Nachweisreaktionen sind für den Nachweis von Eiweißen (Proteinen) und zwei für den Nachweis von Kohlenhydraten geeignet.

    Lösung

    Proteine (Eiweiße) können mit der Xanthoproteinreaktion und der Biuretreaktion nachgewiesen werden.

    Die Xanthoproteinreaktion zeigt beim Vorhandensein von aromatischen Proteinen eine gelbe Verfärbung.

    Bei der Biuretreaktion zeigt sich eine Violettfärbung bei Anwesenheit von Verbindungen mit Peptidbindungen.

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