Protein

Proteine, umgangssprachlich auch Eiweiße genannt, sind Makromoleküle, die aus Aminosäuren aufgebaut sind. Die Aminosäuren bestehen hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und – seltener – Schwefel. Proteine gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen. Sie verleihen der Zelle nicht nur Struktur, sondern sind die molekularen „Maschinen“, die Stoffe transportieren, Ionen pumpen, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen.

Bausteine der Proteine sind bestimmte als proteinogen, also proteinaufbauend, bezeichnete Aminosäuren, die durch Peptidbindungen zu Ketten verbunden sind. Beim Menschen handelt es sich um 21 verschiedene Aminosäuren: die 20 seit langem bekannten sowie Selenocystein. Die Aminosäureketten haben eine Länge von bis zu mehreren 1000 Aminosäuren, wobei man eigentlich Aminosäureketten mit einer Länge von unter ca. 100 Aminosäuren als Peptide bezeichnet und erst ab einer größeren Kettenlänge von Proteinen spricht. Die molekulare Größe eines Proteins wird in der Regel in Kilo-Dalton (kDa) angegeben. Titin, das mit ca. 3600 kDa größte bekannte menschliche Protein, besteht aus über 30.000 Aminosäuren und beinhaltet 320 Proteindomänen.

Die Anzahl möglicher unterschiedlicher Aminosäureketten ist gigantisch. Aus 21 verschiedenen Aminosäuren ergibt sich schon bei einer Kettenlänge von 100 die unvorstellbare Zahl von 21¹⁰⁰ bzw. 10¹³² Verknüpfungsmöglichkeiten. Diese Zahl übersteigt die Anzahl aller Atome des Universums („nur“ 6·10⁷⁹ Teilchen) um das 10⁵²-fache.

Die Zusammensetzung eines Proteins, und damit sein Aufbau, ist in dem jeweiligen Gen kodiert.

Das Wort Protein wurde 1838 von Jöns Jakob Berzelius von dem griechischen Wort πρωτευω (proteuo, „ich nehme den ersten Platz ein“, von πρωτος, protos, „erstes“, „wichtigstes“) abgeleitet. Dies soll die Bedeutung der Proteine für das Leben unterstreichen.

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Bedeutung für den Organismus

Die Aufgaben der Proteine im Organismus sind vielfältig. Als Beispiele seien genannt:

• Als Strukturproteine bestimmen sie den Aufbau der Zelle und damit letztlich die Beschaffenheit von Geweben, beispielsweise der Haarstruktur, und den gesamten Körperaufbau.
• Als Enzyme übernehmen sie Biokatalysefunktionen. Sie ermöglichen oder verhindern durch Beschleunigen oder Verlangsamen chemische Reaktionen in Lebewesen.
• Als Ionenkanäle regulieren sie die Ionenkonzentration in der Zelle, und damit deren osmotische Homöostase sowie die Erregbarkeit von Nerven und Muskeln.
• In den Muskeln verändern bestimmte Proteine ihre Form und sorgen so für die Kontraktion der Muskeln und damit für Bewegung.
• Als Transportproteine übernehmen sie den Transport körperwichtiger Substanzen wie z. B. Hämoglobin, das im Blut für den Sauerstofftransport zuständig ist, oder Transferrin, das Eisen in unserem Blut transportiert.
• Manche (meist kleinere Proteine) steuern als Hormone Vorgänge im Körper.
• Als Antikörper dienen sie der Infektionsabwehr.
• Als Blutgerinnungsfaktoren verhindern die Proteine einerseits einen zu starken Blutverlust bei einer Verletzung eines Blutgefässes und andererseits eine zu starke Gerinnungsreaktion mit Blockierung des Gefässes.
• Als Reservesubstanz dienen die Proteine dem Körper als Energielieferanten im Hungerzustand. Wobei die in Leber, Milz und Muskel gespeicherten Proteine im Hungerzustand zur Glukoneogenese und damit zur Energiegewinnung genutzt werden können, um die lebensnotwendigen Prozesse des Körpers aufrechtzuerhalten.

Mutationen in einem Gen verursachen Veränderungen im Aufbau des Proteins, das durch das Gen kodiert wird. Die Folge können Fehler in der Proteinaktivität sein. Solche Fehler mit teils vollständigem Wegfall der Proteinaktivität liegen vielen erblichen Krankheiten zugrunde.

Räumlicher Aufbau

Für die Wirkungsweise der Proteine ist ihre räumliche Struktur (ihre Faltung) besonders wichtig. Die Proteinstruktur lässt sich auf vier Betrachtungsebenen beschreiben:

• Als Primärstruktur eines Proteins wird die Abfolge der einzelnen Aminosäuren innerhalb der Polypeptidkette bezeichnet. Vereinfacht gesagt könnte man sich eine Kette vorstellen, in der jede Perle eine Aminosäure darstellt (Schreibweise: AS₁–AS₂–AS₃–AS₅ usw.). Die Primärstruktur stellt lediglich die Aminosäurensequenz, jedoch nicht den räumlichen Aufbau dar.

• Als Sekundärstruktur wird die Zusammensetzung des Proteins aus besonders häufig auftretenden Motiven für die räumliche Anordnung der Aminosäuren bezeichnet. Man unterscheidet dabei zwischen folgenden Strukturtypen: α-Helix, β-Faltblatt, β-Schleifen und ungeordnete, so genannte Random-Coil-Strukturen. Diese Strukturen ergeben sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Peptidbindungen des Polypeptid-Rückgrates.

• Die Tertiärstruktur ist die der Sekundärstruktur übergeordnete räumliche Anordnung der Polypeptidkette. Sie wird von den Kräften und Bindungen zwischen den Resten (d. h. den Seitenketten) der Aminosäuren bestimmt. Als Bindungskräfte, die diese dreidimensionale Struktur stabilisieren, wirken beispielsweise Disulfidbrücken, (kovalente Bindungen zwischen den Schwefelatomen zweier Cysteinreste) oder vor allem nicht-kovalente Wechselwirkungen wie die zuvor genannten Wasserstoffbrückenbindungen. Zusätzlich spielen hydrophobe, ionische und Van-der-Waals-Kräfte eine wichtige Rolle. Durch diese Kräfte und Bindungen faltet sich das Protein weiter.

• Viele Proteine müssen sich, um funktionsfähig sein zu können, zu einem Proteinkomplex zusammenlagern, der so genannten Quartärstruktur. Dies kann entweder eine Zusammenlagerung von unterschiedlichen Proteinen sein oder ein Verband aus zwei oder mehr Polypeptidketten die aus ein und derselben Polypeptidkette, dem sog. Precursor, hervorgegangen sind (vgl.: Insulin). Dabei sind die einzelnen Proteine häufig durch Wasserstoffbrücken und Salzbrücken aber auch durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft. Die einzelnen Untereinheiten eines solchen Komplexes werden als Protomere bezeichnet. Einige Protomere können ihre Funktion auch als eigenständige Proteine besitzen, aber viele erreichen ihre Funktionalität nur im Komplex. Als Beispiel für aus mehreren Proteinen zusammengelagerte Komplexe können die Immunglobuline (Antikörper) dienen, bei denen jeweils zwei identische schwere und zwei identische leichte Proteine über insgesamt vier Disulfidbrücken zu einem funktionsfähigen Antikörper verbunden sind.

Viele komplexe Proteine können nicht spontan falten, also ihre physiologische Struktur einnehmen, sondern brauchen dazu Faltungshelfer, sogenannte Chaperone. Die Chaperone binden an neugebildete (oder auch beschädigte, denaturierte) Aminosäureketten, und verhelfen ihnen unter Verbrauch chemischer Energie zu ihrer Struktur.

Man unterscheidet zwei Hauptgruppen von Proteinen:

• die globulären Proteine, deren Tertiär- oder Quartärstruktur annähernd kugel- oder birnenförmig aussieht und die meist in Wasser oder Salzlösungen gut löslich sind (beispielsweise das Protein des Eiklars, Ov-Albumin genannt),
• die fibrillären Proteine, die eine fadenförmige oder faserige Struktur besitzen, meist unlöslich sind und zu den Stütz- und Gerüstsubstanzen gehören (beispielsweise die Keratine in den Haaren und Fingernägeln, Kollagen, Actin und Myosin für die Muskelkontraktion).

Proteinoberfläche

    Der Einfachheit halber wird stellvertretend für die komplexe Proteinstruktur oft nur das Rückgrat (Backbone) des Proteins abgebildet (z.B. Abbildungen rechts oben). Zum Verständnis der Funktion ist jedoch die Oberfläche des Proteins von großer Bedeutung. Da die Seitenketten der Aminosäuren vom Rückgrat aus in den Raum ragen, tragen auch sie entscheidend zur Struktur bei: Der Verlauf des Rückgrats bestimmt den generellen dreidimensionalen Aufbau, aber die Konturen der Oberfläche und ihre chemischen Eigenschaften werden von den Seitenketten bestimmt.

Denaturierung

Sowohl durch chemische Einflüsse, wie zum Beispiel Säuren, Salze oder organische Lösungsmittel, als auch durch physikalische Einwirkungen, wie hohe oder tiefe Temperaturen oder auch Druck, können sich die Sekundär- und Tertiärstruktur und damit auch die Quartärstruktur von Proteinen ändern, ohne dass sich die Reihenfolge der Aminosäuren (Primärstruktur) ändert. Dieser Vorgang heißt Denaturierung und ist in der Regel nicht umkehrbar, das heisst der ursprüngliche dreidimensionale räumliche Aufbau kann ohne Hilfe nicht wiederhergestellt werden. Bekanntestes Beispiel dafür ist das Eiweiß im Hühnerei, das beim Kochen fest wird, weil sich der räumliche Aufbau der Proteinmoleküle geändert hat. Der ursprüngliche flüssige Zustand kann nicht mehr hergestellt werden. Das Wiederherstellen des ursprünglichen Zustandes des denaturierten Proteins heißt Renaturieren.

Menschen denaturieren, das heisst kochen, ihre Speisen, um sie leichter verdaulich zu machen. Durch die Denaturierung ändern sich die physikalischen und physiologischen Eigenschaften der Proteine, wie z. B beim Spiegelei, das durch die Hitze in der Pfanne denaturiert wird. Hohes Fieber kann deshalb für den Menschen lebensgefährlich werden. Denn durch die zu hohe Körpertemperatur werden beim Fieber körpereigene Proteine denaturiert und können somit ihre lebensnotwendigen Aufgaben im Organismus nicht mehr erfüllen. Einige Proteine der roten Blutkörperchen denaturieren beispielsweise bereits bei 42 °C. Das Fieber hat eigentlich aber eine schützende Funktion, nicht eine zerstörenden. Denn die hohe Temperatur beim Fieber soll Eindringlinge und Fremdkörper, sogenannte Antigene, zerstören und unschädlich machen. Diese Antigene denaturieren meist schon bei geringeren Temperaturen als die körpereigenen Proteine.

Die bei chemischer Spaltung der Proteinketten (Proteolyse) entstehenden Teilstücke nennt man Peptone.

Eiweißmangel

Eiweiß hat eine große Anzahl von Aufgaben in unserem Körper. Es ist zum Aufbau und zum Erhalt der Körperzellen notwendig und hilft bei der Heilung von Wunden und Krankheiten. Ein erwachsener Mensch sollte täglich etwa 1 Gramm Eiweiß pro Kilogramm Körpergewicht mit der Nahrung zu sich nehmen. Der Bedarf nimmt bei schwangeren und stillenden Frauen noch zu.

Ein Mangel kann schlimme Folgen haben:

• Haarausfall (Haare bestehen zu 97-100% aus Proteinen - Keratin)
• Antriebsarmut
• Im schlimmsten Fall kommt es zur Eiweißmangelkrankheit Kwashiorkor. Menschen (meist Kinder), die an Kwashiorkor leiden, erkennt man an ihren dicken Bäuchen. Der Organismus versucht durch Wasser den Eiweißmangel abzudecken, sodass sich das Wasser nach einiger Zeit im Körper ablagert (Ödem). Weitere Symptome sind:
  • Muskelschwäche
  • Wachstumsstörungen
  • Fettleber
  • Ödeme
• Andauernder Eiweißmangel führt zum Marasmus und zum Tod.

Zu Eiweißmangel kommt es in den Industrieländern allerdings höchst selten und auch nur bei extrem proteinarmen Ernährungsformen. Die durchschnittliche deutsche Mischkost dagegen enthält mit 100 Gramm Eiweiß pro Tag mehr als genug Proteine. Obwohl häufig in der Werbung Eiweißpulver als essentiell notwendig für Breitensportler angepriesen werden, deckt "Unsere übliche Ernährung... auch den Eiweißbedarf von Sportlern ab", heißt es dazu in einem Bericht des Ministeriums für Ernährung und Ländlichen Raum Baden-Württembergs. Allerdings ist, Studien zufolge, Muskelaufbau durch Krafttraining bei Zunahme von weniger als 1 Gramm Eiweiß pro Kilogramm Körpergewicht am Tag kaum möglich. Eine tägliche Eiweißzufuhr von 1,5 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht werden für Kraftsportler als ausreichend angesehen.

Proteinbiosynthese

Hauptartikel: Proteinbiosynthese

Mit der Nahrung nehmen wir Proteine auf. Bei unserer Verdauung werden diese Proteine in ihre Bestandteile zerlegt – die Aminosäuren. Auf neun Aminosäuren (von 21, die insgesamt benötigt werden) ist der menschliche Organismus besonders angewiesen, denn sie sind essenziell, das bedeutet, dass der Körper sie nicht selbst herstellen kann. Mit dem Blut werden die Aminosäuren in jede Zelle transportiert. Die Aminosäurensequenz ist in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) kodiert. In den Ribosomen, der „Proteinproduktionsmaschinerie“ der Zelle, wird diese Information verwendet, um aus einzelnen Aminosäuren ein Proteinmolekül zusammenzusetzen, wobei die Aminosäuren in einer ganz bestimmten, von der DNA vorgegebenen Reihenfolge verknüpft werden.

Proteinlieferanten

Sehr proteinhaltige Nahrungsmittel sind:

• Fleisch
• Fisch
• Eier
• Milchprodukte (Käse)
• Nüsse
• Getreide
• Hülsenfrüchte (Soja: 41,6%)
• Kartoffeln (lediglich 2%, dafür sehr viele essentielle Aminosäuren)

Studien von Thomas Osborne und Lafayette Mendel von 1914 zeigten, dass Ratten, die tierisches Eiweiß erhielten, schneller an Gewicht zunahmen, als Ratten, die nur pflanzliches Eiweiß erhielten. Daraus wurde voreilig geschlossen, dass tierisches Eiweiß „höherwertiger“ als pflanzliches Eiweiß sei. Spätere Studien von McCay an der Berkeley Universität zeigten jedoch, dass Ratten, die pflanzliches Eiweiß bekommen, gesünder sind und ungefähr doppelt so lange leben.

Nachweis von Proteinen

• UV-Absorption
• Xanthoproteinreaktion
• Millon-Reaktion
• Ninhydrinreaktion
• Biuretreaktion
• Bradford-Test
• Proteinbestimmung nach Lowry
• BCA-Reaktion

3D-Darstellung

Zum besseren Verständnis von Aufbau und Funktion ist es unerlässlich, die räumliche Gestalt von Proteinen mithilfe geeigneter Graphikprogramme darzustellen. Im Prinzip genügt dazu ein einfaches Molekülbetrachtungsprogramm (Viewer), von denen es inzwischen eine große Anzahl frei verfügbarer und kommerziell erhältlicher Beispiele gibt. Bei der Darstellung von Biomolekülen ist allerdings eine Vereinfachung auf das Proteinrückgrat mit den Sekundärstrukturelementen Helix, Faltblatt etc. notwendig (vgl. Abschnitt Proteinoberfläche). Gleichwohl ist das Angebot an entsprechenden Softwarepaketen groß, die jedoch meist noch weitere Funktionalitäten besitzen. Beispiele:

• PyMOL

Das meistverbreitete Dateiformat für Strukturen von Proteinen ist das pdb-Format der freizugänglichen Protein Data Bank. Eine pdb-Datei enthält zeilenweise Einträge für jedes Atom im Protein, sortiert nach der Aminosäuresequenz; im einfachsten Fall sind das Atomart und kartesische Koordinaten. Es handelt sich also um ein systemunabhängiges Klartext-Format.

Literatur

• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007 (6. Aufl.). ISBN 3-82-741800-3
• Hubert Rehm: Der Experimentator - Proteinbiochemie/Proteomics. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002 (4. Aufl.). ISBN 3-82-741195-5

Siehe auch

• Peptid, Polypeptid, Peptidbindung, Proteindomäne,
• Enzym, Metalloenzym, Metalloenzym, Metalloprotein, Glykoproteine
• Eiweißsynthese, Proteolyse
• Chaperon, Hitzeschockproteine
• Proteom, Proteomik, Hefe-Zwei-Hybrid-System, Proteinüberexpression bei Hefen
• Intein