30 Tage kostenlos testen

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Peptidbindung und Primärstruktur

Du möchtest schneller & einfacher lernen?

Dann nutze doch Erklärvideos & übe mit Lernspielen für die Schule.

sofatutor kostenlos testen
Bewertung

Ø 3.6 / 8 Bewertungen

Die Autor*innen
Avatar
André Otto
Peptidbindung und Primärstruktur
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Grundlagen zum Thema Peptidbindung und Primärstruktur

Inhalt

Die Peptidbindung und Primärstruktur– Chemie

In der Biologie hast du sicher schon von Eiweißen gehört. Eiweiße werden auch als Proteine bezeichnet und setzen sich aus Aminosäuren zusammen. Diese sind wiederum über eine ganz bestimmte Art von Bindungen miteinander verknüpft – die Peptidbindungen. Im Folgenden wollen wir uns mit der Peptidbindung und der so entstehenden Primärstruktur von Polypeptidketten auseinandersetzen.

Vorkenntnisse
Für ein besseres Verständnis solltest du die chemischen Eigenschaften von Aminosäuren kennen. Die Begriffe Zwitterion und Neutralform solltest du in diesem Zusammenhang kennen. Schau dir dazu gern das Video Aminosäuren – chemische Struktur und Eigenschaften an. Zudem solltest du dir das Video zu Veresterung und Acylierung angeschaut haben.

Peptidbindung und Primärstruktur – Definition

Eine Peptidbindung ist eine Carbonsäureamid-Bindung. Dabei reagiert die Carboxygruppe ($\ce{-COOH}$) der einen Aminosäure mit der Aminogruppe ($\ce{-NH2}$) einer weiteren Aminosäure. Werden zwei Aminosäuren durch eine Peptidbindung verknüpft, ergibt sich ein Dipeptid. Bei einer Kette einer geringen Anzahl an Aminosäuren (10–30) spricht man von einem Oligopeptid. Darüber hinaus lautet die Bezeichnung Polypeptid. Natürlich vorkommende Polypeptidketten enthalten meist 50 bis 2.000 Aminosäuren und werden als Proteine bezeichnet. Im Übrigen definiert man in der Chemie die Abfolge, also die Sequenz einzelner Aminosäuren, als die Primärstruktur eines Proteins. In der Fachliteratur hast du bestimmt schon von der Aminosäuresequenz gelesen.

Entstehung der Peptidbindung

Schauen wir uns die Entstehung der Peptidbindung an einem konkreten Beispiel an: Die Verknüpfung zweier Glycinmoleküle. Aus der Definition wissen wir, dass die Carboxygruppe von einem Glycin mit der Aminogruppe des anderen Glycins reagiert. Dabei wird aus der Carboxygruppe eine Hydroxygruppe ($\ce{-OH}$) entfernt und aus der Aminogruppe ein Wasserstoffatom ($\ce{H}$). In Summe wird also bei dieser Reaktion ein Molekül Wasser ($\ce{H2O}$) freigesetzt. Die Reaktion ist daher auch eine Kondensationsreaktion. Die beiden Molekülfragmente der Glycine verbinden sich zu Glycyl-Glycin unter Bildung einer Amidbindung. Das neu entstandene Molekül gehört daher in die Gruppe der Säureamide. Im Fall von Aminosäuren bezeichnet man die Amidbindung als Peptidbindung. Sie verbindet das Aminoende der einen mit dem Carboxyende einer weiteren Aminosäure. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass es immer ein Carboxy- und ein Aminoende gibt.

Peptidbindung Strukturformel Kondensation und Hydrolyse

Spaltung der Peptidbindung

Da eine Peptidbindung (oder Amidbindungen im Allgemeinen) durch eine Kondensationsreaktion entsteht, liegt es nahe, dass die Spaltung durch deren Umkehrreaktion – also eine Hydrolyse – erfolgt. Hier kommt es zur Reaktion mit Wasser, wodurch es zur Spaltung der Peptidbindung kommt. Die Hydrolysereaktion lässt sich beschleunigen (katalysieren) durch:

  • Temperaturerhöhung,
  • Säure- oder Basenkatalyse,
  • die Enzymklasse der Peptidasen, auch Proteasen oder Proteinasen genannt.

Eigenschaften der Peptidbindung

Betrachtet man eine Peptidbindung genauer, so stellt man fest, dass es sich um konjugierte Doppelbindungen, also ein $\pi$-Elektronensystem handelt: Die $\pi$-Elektronen der Doppelbindung der Carbonylgruppe ($\ce{C=O}$) und des freien, nicht bindenden Elektronenpaars am Stickstoffatom ($\overline{\ce{N}}$) nehmen in dem Molekül keine feste Position ein, sie sind delokalisiert. Daher lassen sich für die Peptidbindung zwei mesomere Grenzstrukturen formulieren.

Mesomere Grenzstrukturen einer Peptidbindung

Daraus ergeben sich zwei Eigenschaften der Peptidbindung:

  • Sie ist stabil.
  • Ihre Bindungsgeometrie ist planar.

Isomerie der Peptide

Den Begriff der Isomerie hast du sicherlich schon einmal gehört. Isomere Verbindungen weisen zwar die gleiche Summenformel und Molekülmasse auf, unterscheiden sich aber in ihrer Struktur. Auch unter Oligo- und Polypeptiden kommt ein spezieller Fall der Isomerie vor: die Konstitutionsisomerie. Wie kannst du dir das vorstellen?
Betrachten wir beispielhaft ein Dipeptid, also eine Verbindung aus zwei Aminosäuren: Glycin und Alanin. Wenn Glycin und Alanin ein Dipeptid bilden, so entstehen zwei isomere Verbindungen:

Zum einen kann die Carboxygruppe des Glycins mit der Aminogruppe des Alanins reagieren. Es entsteht, chemisch gesprochen, Glycyl-Alanin. Dabei wird ein Wassermolekül freigesetzt.

$\underset{Glycin}{\ce{NH2-CH2-\color{red}{COOH}}} + \underset{Alanin}{\ce{CH3-CH(\color{red}{NH2})-COOH} \ce{->[\ce{H2O}]} }$
$\underset{Glycl-Alanin}{\ce{H2C(NH2)-\color{red}{CO-NH}-CH(CH3)(COOH)}}$

Der Glycinrest bildet das Aminoende, der Alaninrest das Carboxyende.

Auch der umgekehrte Fall ist möglich. Dabei reagiert die Carboxygruppe des Alanins mit der Aminogruppe des Glycins. Es entsteht, chemisch gesprochen, Alanyl-Glycin. Auch bei dieser Reaktion kommt es zur Freisetzung eines Wassermoleküls.

$\underset{Alanin}{\ce{CH3-CH(NH2)-\color{red}{COOH}}} + \underset{Glycin}{\ce{\color{red}{NH2}-CH2-COOH}} \ce{->[\ce{H2O}]}$
$\underset{Alanyl-Glycin}{\ce{CH3-CH(NH2)-\color{red}{CO-NH}-CH2-COOH}}$

Hier bildet dann der Alaninrest das Aminoende und der Glycinrest das Carboxyende.
Zur Unterscheidung spricht man in der Biologie im Fall von Polypeptidketten von einem N‑Terminus (Aminosäure mit Aminoende) und einem C‑Terminus (Aminosäure mit Carboxyende). Das ist insofern wichtig, da Polypeptidketten in biologischen Systemen immer am C‑Terminus verlängert werden.

Je mehr Aminosäuren eine Peptidkette enthält, desto mehr Konstitutionsisomere sind möglich. Die Zahl der Konstitutionsisomere kann man mit $\ce{n!}$ berechnen, wobei $\ce{n}$ der Anzahl der unterschiedlichen Aminosäuren entspricht.

Dieses Video

Die Reaktion zweier Aminosäuren miteinander ist der erste Schritt zur Bildung von Eiweißen bzw. Proteinen. In diesem Video lernst du die Peptidbindung anhand einiger Beispiele kennen. Durch welche Reaktion entstehen Peptidbindungen und wie lassen sie sich wieder spalten? Im Anschluss an das Video kannst du dir diese Fragen beantworten. Außerdem stehen dir interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt zum Herunterladen zur Verfügung, um dein neu gewonnenes Wissen zu festigen.

Transkript Peptidbindung und Primärstruktur

Guten Tag und herzlich willkommen, dieses Video heißt: Peptidbindung und Primärstruktur. Welche Vorkenntnisse solltet Ihr mitbringen? Ihr solltet bereits gute Kenntnisse über Aminosäuren besitzen. Ihr solltet wissen, was ein Zwitterion ist. Ihr solltet die Neutralform eines Aminosäuremoleküls kennen. Ein Kation oder ein Anion eines Aminosäuremoleküls sollten Euch klare Begriffe sein. Das Video über die Acylierung solltet Ihr angeschaut haben. Ziel des Videos ist es, Euch die Reaktion von Aminosäuren miteinander zu vermitteln. Ihr sollt verstehen, dass diese Reaktion der erste Schritt auf dem Weg zur Bildung von Eiweißen ist. Das Video ist in 5 Abschnitte gegliedert: 1. Peptidbindung, 2. Oligopeptid und Polypeptid, 3. Sequenz und Primärstruktur, 4. Süßstoff Aspartam und 5. Zusammenfassung. 1. Peptidbindung: Bisher haben wir meist einzelne Aminosäuremoleküle betrachtet. Heute wollen wir 2 neutrale Aminosäuremoleküle in Wechselwirkung treten lassen. Es sollen 2 Moleküle der Aminosäure Glycin miteinander reagieren. Bei dieser Reaktion wird von dem einen Glycinmolekül eine Gruppe OH abgespalten, vom anderen Glycin ein Wasserstoffatom. In der Summe wird ein Wassermolekül freigesetzt. An den Stellen der Abspaltung kommt es zu einer Verknüpfung der beiden Molekülfragmente miteinander. Es entsteht ein größeres, neues Molekül. Ein sogenanntes Säureamid. Die rot markierte Bindung wird im Fall von Aminosäuren als Peptidbindung bezeichnet. Wir unterscheiden bei dem neu entstandenen Molekül zwischen Aminoende und Carboxylende. Die neu entstandene Verbindung bezeichnet man auch als Glycyl-glycin. In Drei-Buchstaben-Abkürzung auch H-Gly-Gly-OH. Das entstandene Molekül ist ein Dipeptid. 2. Oligopeptid und Polypeptid Ein Tripeptid, bestehend aus 3 Molekülen, Glycin, sieht so aus. Wir schreiben nach dem 3 Buchstaben-Code H-Gly-Gly-Gly-OH.  Das Tripeptid oben zählt zu den Oligopeptiden. Oligopeptide können bis zu 20 Aminosäuren enthalten. Polypeptide enthalten noch mehr Aminosäuren. Man spricht von einem Polypeptid, wenn die Molmasse des Moleküls größer als 10 Kilodalton ist. Das entspricht 10000 Units. Bei Oligo- und Polypeptiden trifft man Isomerie an. Wenn Glycin und Alanin ein Dipeptid bilden, so entstehen 2 isomere Verbindungen. Im oberen Fall befindet sich der Glycinrest am Aminoende. Und der Alaninrest am Carboxylende. Im unteren Fall ist es umgekehrt. Noch mehr Isomere erhält man, wenn man es mit Tripeptiden zu tun hat. Glycin, Alanin und Phenylalanin bilden ein Tripeptid. Man erhält 3!=1x2x3=6 Konstitutionsisomere. Wir betrachten nun ein Polypeptid mit verschiedenen Aminosäuren, wobei jede nur einmal auftauchen soll. Die Zahl der Konstitutionsisomeren errechnet sich dann nach n!. 3. Sequenz und Primärstruktur Man kann auch sagen, dass es bei den Konstitutionsisomeren des betrachteten Tripeptids Unterschiede in der Sequenz der Aminosäuren gibt. Sequenz bedeutet Abfolge oder Anordnung. Die Sequenz einer Polypeptidkette wird auch als Primärstruktur des Polypeptids bezeichnet. 4. Süßstoff Aspartam Ich möchte Euch nun eine Formel aufzeichnen, die auf den ersten Blick einen ziemlich ungelenkten Eindruck hinterlässt. Wenn ich mir allerdings das Molekül an der eingezeichneten Stelle getrennt vorstelle, so kann ich es in seine Bestandteile zerlegen. Es handelt sich um ein Dipeptid, das aus den Aminosäuren Asparaginsäure und Phenylananin besteht. Das Carboxylende der Verbindung ist methyliert. Das heißt, wir haben es zusätzlich mit einem Methylester zu tun. Beide chirale Zentren der Verbindung besitzen L-Konfiguration. Der systematische Name der Verbindung, die den trivialen Namen Aspartam trägt, lautet L-Aspatyl-L-phenyl-alaninmethylester. Bei Aspartam handelt es sich um einen Süßstoff, der 200 mal süßer als Zucker ist. Die Struktur ist auf unsere Rezeptoren zugeschnitten, der Ethylester zum Beispiel besitzt keine Süßkraft. Verändert man die Stereochemie, geht von einer L- in eine D-Konfiguration über, so schmeckt die Verbindung bitter. Bei Patienten mit Phenolketonurie, PKU, ist der Gebrauch von Aspartam kontraindiziert. Diese Patienten besitzen eine Phenylalaninunverträglichkeit. Bei gesunden Patienten wir der Dauergebrauch von Aspartam kontravers beurteilt. 5. Zusammenfassung Aspartam ist ein Beispiel für ein Dipeptid. Es entsteht aus 2 Aminosäuren, Asparaginsäure und Phenylalanin. Bei Peptiden, die aus verschiedenen Aminosäuren bestehen, wie zum Beispiel dem Tripeptid, das aus Glycin, Phenylalanin und Alanin gebildet wird, kommt es zu Konstitutionsisomeren. Die Isomere zeigen eine unterschiedliche Abfolge der Aminosäuren, das heißt, eine unterschiedliche Sequenz. Oligopeptide sind Peptide, die bis zu 20 Aminosäuren enthalten. Polypeptide besitzen eine Molmasse von mehr als 10 Kilodalton. Die Sequenz der Polypeptide, die man auch Biopolymere nennt, bezeichnet man als Primärstruktur. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.    

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Hallo ..ist es immer so bei der Proteinsynthese dass sie mit Amino-gruppe anfängst und mit Carboxyl gruppe endet? Ich meine wann trennen sich die Aminosäuren und aufhören,miteinander zu reagieren?

    Von Rankh699, vor mehr als 7 Jahren
  2. Da gibt es in der Literatur verschiedene Angaben. Ich bin zu wenig Spezialist auf diesem Gebiet, um mich da festzulegen. Für dich ist bindend, was deine Lehrerin/dein Lehrer vorgibt.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 8 Jahren
  3. Ich bin sogar in der 11. Klasse und habe es verstanden. Aber kann ein Oligopeptid nicht maximal 10 Aminosäuren betragen? In deinem Video erwähntest du, dass es bis zu 20 enthalten kann.

    Von Nick .., vor mehr als 8 Jahren

Peptidbindung und Primärstruktur Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Peptidbindung und Primärstruktur kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe eine Peptidbindung unter alleiniger Beteiligung von Glycin.

    Tipps

    Der Name Dipeptid zeigt an, wie viel Moleküle verwendet werden müssen.

    Die Dipeptid-Bildung ist eine Kondensation.

    Die Bindung wird nach der Verbindungsklasse bezeichnet.

    Lösung

    Die Wortgleichung

    Natürlich reagiert hier Glycin und nicht Glycerin. Für das Hauptprodukt wurde der allgemeine Name Dipeptid gewählt. Es ist eine Kondensation, es entsteht nämlich Wasser als Nebenprodukt.

    • Glycin + Glycin $ \longrightarrow$ Dipeptid + Wasser
    Die Formelgleichung

    Verwendet werden hier die rationalen Formeln - für die Aminosäure Glycin als auch für das Dipeptid.

    • $H_2N-CH_2-COOH + H_2N-CH_2-COOH$ $\longrightarrow H_2N-CH_2-CO-NH-CH_2-COOH + H_2O$
    Beschreibung

    Die Beschreibung wurde bewusst allgemein gehalten. Natürlich reagieren hier keine Kohlensäure-Moleküle. Ein Säurechlorid gibt es hier auch nicht.

    • Aus zwei Aminosäure-Molekülen entsteht ein Dipeptid. Es handelt sich um ein Säureamid. Die charakteristische Bindung $-CO-NH-$ bezeichnet man als Peptid-Bindung.

  • Nenne die Eigenschaften des Süßstoffs Aspartam.

    Tipps

    Überprüfe, ob wenigstens eine Carboxygruppe im Aspartam-Molekül vorliegt.

    Das Glycin-Molekül ist achiral.

    Chiralität bestimmt die für die Konsumtion wichtigen Eigenschaften organischer Verbindungen.

    Lösung

    Aspartam gehört zu den Süßstoffen und hat eine Süßkraft, die 200 mal stärker ist als die des Haushaltszuckers. Süß ist nur der Süßstoff mit jeweiliger L-Konfiguration. Bei jeweiliger D-Konfiguration ist die Verbindung bitter.

    Aspartam ist ein Dipeptid und besteht aus den Aminosäuren Phenylalanin und Asparaginsäure. Es ist derivatisiert ein Methylester. Das erkennst du an der Methylgruppe, die an der Carboxygruppe von Phenylalanin gebunden ist.

    Für Menschen mit Phenylketonerie ist Aspartam kontraindiziert. Sie dürfen es also unter keinen Umständen aufnehmen. Aber auch bei gesunden Menschen wird der regelmäßige Konsum von Aspartam kontrovers beurteilt.

  • Berechne die Zahl möglicher Peptide, die aus zehn Aminosäuren entstehen können.

    Tipps

    In der Kombinatorik nennt man eine solche Zählung Permutation, genauer Permutation ohne Wiederholung.

    Lösung

    Mit der Permutation ist doch fast schon alles verraten. Folglich haben wir mit dem Ansatz $n!$ zu rechnen.

    Die n-Fakultät ist:

    • $1\cdot2 \cdot 3 \cdot... \cdot n$
    Wir rechnen per Hand oder mit dem Taschenrechner:

    10! = 3 628 800

    Zur Vergleichbarkeit:

    • New Yorks Einwohnerzahl liegt schon seit vielen Jahren im zweistelligen Millionenbereich.
    • Der Staat Kanada nimmt eine Fläche von fast 10 Millionen Quadratkilometern ein.
    • Der Eiffelturm ist 301 m hoch.
    • Zwischen Berlin und München liegen etwa 585 km.
    Berlin hat eine Einwohnerzahl von etwa 3,4 Mio und ist daher am besten mit der Anzahl der Strukturen vergleichbar.

  • Erkläre die makroskopischen Eigenschaften von Aminosäuren und Oligopeptiden durch ihre Struktur.

    Tipps

    Untersuche die funktionellen Gruppen von Peptiden auf intermolekulare Kräfte.

    Erinnere dich, welche Eigenschaften von Teilchen eine gute Wasserlöslichkeit bewirken.

    Ausgedehnte $\pi$-Elektronensysteme führen in der organischen Chemie zur Farbigkeit der Verbindungen.

    Guanidin ist eine Superbase.

    Lösung

    Aus der Struktur von Aminosäuren lassen sich eine ganze Reihe von Eigenschaften ableiten:

    • Die Teilchen des Glycins entstehen durch die Bewegung von Protonen von der sauren Carboxygruppe zur basischen Aminogruppe. Es entstehen Zwitter-Ionen. Diese bilden ein Ionengitter. Daher ist Glycin trotz kleiner molekularer Größe noch bis 231°C fest. Die Verbindung schmilzt nicht. Es kommt zur Zersetzung.
    • Glycin besteht aus relativ kleinen Teilchen mit ausgeprägten Ladungen. „Gleiches löst sich in Gleichem.“ Daher ist Glycin gut wasserlöslich.
    • Im Gegensatz zu Aminosäuren besitzen Peptide nur Ladungen an den Teilchenenden. Dazwischen haben sich Peptid-Bindungen gebildet. Diese interagieren zwar nicht so kräftig wie Ionen, sie sind aber zu Wasserstoffbrückenbindungen befähigt. Daher sind die Verbindungen fest.
    • Mit extensiven konjugierten Systemen von $\pi$-Elektronen können die Teilchen von Aminosäuren und Peptiden nicht dienen. Daher können sie im Bereich des weißen sichtbaren Lichts nicht absorbieren. Die Verbindungen sind daher nicht farbig.
    • Asparaginsäure reagiert sauer, da die Teilchen eine zusätzliche Carboxygruppe -COOH enthalten.
    • Arginin enthält zusätzlich eine Guanidino-Gruppe. Die Verbindung Guanidin ist eine Superbase. Aus diesem Grund ist Arginin stark basisch.

  • Nenne das wichtigste Unterscheidungsmerkmal von Glycin im Vergleich zu den anderen Aminosäuren.

    Tipps

    Notiere die allgemeine Formel einer natürlichen Aminosäure.

    Überlege, ob das Verhalten von Aminosäuren in wässriger Lösung immer gleich ist.

    Kennst du flüssige oder gasförmige Aminosäuren?

    Erinnere dich, was in der organischen Chemie Chiralität bedeutet.

    Lösung

    Die Aminosäuren weisen eine ganze Reihe an Gemeinsamkeiten auf:

    • Alle Aminosäuren bilden Zwitter-Ionen.
    • Carboxygruppe und Aminogruppe sind immer durch ein Kohlenstoffatom voneinander getrennt.
    • Zwar reagieren nicht alle Aminosäuren neutral, es gibt aber außer Glycin noch andere neutrale Vertreter.
    • Alle Aminosäuren und Peptide sind fest und farblos.
    Einziger Unterschied:
    • Glycin ist nicht wie alle anderen Aminosäuren chiral. Grund: Am zentralen Kohlenstoffatom befinden sich zwei Wasserstoffatome. Wir haben also kein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten.

  • Schätze die Gefahr einer Methanol-Vergiftung durch Aspartam ab.

    Tipps

    Die Salzsäure schafft ein Gleichgewicht zwischen dem Ester und seinen Synthese-Bausteinen.

    20 g Methanol schnell genossen ist für leichte Menschen lebensbedrohlich.

    • Die Süßkraft des Aspartams ist 200 mal höher als die von Zucker.
    • Der Maximalmenge an Methanol liegt in einem Softdrink bei weniger als 100 mg in einem Liter.
    Lösung

    Natürlich kann Aspartam Methanol liefern. Der giftige Alkohol wird im Softdrink in der Hitze mit Sicherheit auch entstehen. Wenn man davon allerdings sterben wollte, müsste man mindestens 200 Liter des Softdrinks in kürzester Zeit austrinken.

    Es mag also sein, dass Aspartam schädlich ist - aber mit Sicherheit nicht durch den Konsum zu großer Mengen Softdrinks.

30 Tage kostenlos testen
Mit Spaß Noten verbessern
und vollen Zugriff erhalten auf

2.272

sofaheld-Level

3.965

vorgefertigte
Vokabeln

10.218

Lernvideos

42.363

Übungen

37.398

Arbeitsblätter

24h

Hilfe von Lehrer*
innen

laufender Yeti

Inhalte für alle Fächer und Schulstufen.
Von Expert*innen erstellt und angepasst an die Lehrpläne der Bundesländer.

30 Tage kostenlos testen

Testphase jederzeit online beenden