Proteine

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Einleitung

Proteine, auch Eiweißstoffe oder umgangssprachlich Eiweiße, große, kompliziert gebaute organische Moleküle, die in allen Lebewesen vorkommen und viele Funktionen erfüllen.

Den Begriff Protein (griechisch protos: erstrangig) prägte 1838 der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius. Er wollte damit die besondere Bedeutung der Proteine für die Lebewesen hervorheben. Proteine haben Molekulargewichte von einigen tausend bis zu mehreren Millionen Gramm pro Mol. Sie sind wichtige Bestandteile der Zellen und bilden die Hülle von Viren. Bei Mensch und Tier machen Proteine mehr als 50 Prozent des Trockengewichts des Körpers aus. Die mit der Nahrung aufgenommenen Proteine dienen in erster Linie dem Aufbau und Erhalt von Zellstrukturen. Aber auch die in Proteinmolekülen enthaltene Energie wird genutzt. Mit durchschnittlich 17 Joule (etwa vier Kalorien) pro Gramm entspricht der Energiegehalt eines Proteinmoleküls fast genau dem Energiegehalt von Kohlenhydraten (siehe Stoffwechsel).

Proteinmoleküle können lang und faserig wie das Keratin in Haaren und Bindegewebe sein, aber auch kompakt und kugelig (globulär) wie die Enzyme. Proteine in der Membran von Zellen ermöglichen den Transport von Substanzen durch dieselbe oder stellen den Kontakt zu benachbarten Zellen her. Andere bewirken die Muskelkontraktion, tragen zur Weiterleitung von Nervensignalen bei oder übertragen als Hormone Signale an Organe. Die Antikörper des Immunsystems und das für den Sauerstofftransport im Blut notwendige Hämoglobin sind ebenfalls Proteinmoleküle. Die Chromosomen, Träger der Gene, bestehen aus Nucleinsäuren und Proteinen.

Im menschlichen Körper gibt es vermutlich über eine Million verschiedene Proteinmoleküle. Ihre Struktur und Funktion sind erst teilweise bekannt. Die Gesamtheit der Proteine in einer Zelle oder einem Organismus wird als Proteom bezeichnet (eine Wortschöpfung entsprechend dem Genom). Das Fachgebiet der Proteomik erforscht die räumliche Struktur und die Zusammensetzung von Proteinen sowie ihren Wirkungsort und ihre Aufgaben in der Zelle. Viele Proteine entfalten ihre Wirkung erst in Wechselwirkung mit anderen Proteinen und verändern sich in Abhängigkeit von ihrer Umgebung. Erst wenn diese Wechselwirkungen geklärt sind, kann eine Behandlung von Krankheiten mittels Gentherapie erfolgreich sein.

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Struktur der Proteine

Proteinmoleküle bestehen aus Peptidketten, die sich wiederum aus 20 verschiedenen Aminosäuren zusammensetzen. Die einzelnen Aminosäuren in einem Peptidmolekül sind über eine so genannte Peptidbindung kettenartig aneinandergereiht. Dabei ist die Carboxylgruppe (COOH) der einen Aminosäure mit der a-Aminogruppe der folgenden Aminosäure verbunden. Mit jeder neuen Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren wird ein Molekül Wasser frei; dieser Prozess ist das Gegenteil einer Hydrolyse.

Ein Proteinmolekül hat mehrere Ebenen. Die Peptidkette aus Aminosäuren wird als Primärstruktur bezeichnet; ihre räumliche Anordnung (Sekundärstruktur) ergibt sich durch die Abfolge der Aminosäuren in der Kette. Bestimmte Aminosäuren sind über Wasserstoffbrückenbindungen mit Aminosäuren verbunden, die in der Kette nicht direkt neben ihnen liegen. Diese Bindungen lassen jedes Kettenmolekül sich auf eine bestimmte Art entfalten: Am häufigsten sind die schraubig gewundene a-Helix und die wellenförmige β-Faltblattstruktur.

Wird die Sekundärstruktur durch Disulfidbindungen oder Wasserstoffbrücken noch weiter gekrümmt, entsteht eine Tertiärstruktur wie bei den Globulinen. Die Tertiärstruktur wird auch durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Ionen oder durch hydrophile (Wasser anziehende) bzw. hydrophobe (Wasser abstoßende) Bereiche des Moleküls beeinflusst. In wässrigen Lösungen wie dem Zytoplasma richten sich hydrophile Gruppen nach außen und hydrophobe ins Innere des Moleküls aus. Die Faltung der Tertiärstruktur wird oft durch spezielle Proteinkomplexe, die Chaperonine, gefördert. Einige Proteine (z. B. Hämoglobin und manche Enzyme) bestehen aus mehreren aneinandergelagerten Ketten; hier spricht man von der Quartärstruktur des Proteins.

Manche Proteine sind mit einem anderen Molekül zu einer prosthetischen Gruppe verbunden. Dazu zählen beispielsweise die Lipoproteine, die mit einem Lipidmolekül gebunden sind. Lipoproteine sind wichtige Bestandteile des Blutes (z. B. die Albumine) und des Zytoplasmas; im Blut transportieren sie die hydrophoben Lipide (z. B. Steroidhormone oder Fettbestandteile aus der Verdauung). Auch bei der Regulierung des Cholesterinspiegels (siehe Blutfette) spielen sie eine große Rolle. Zu den mit einem Zuckermolekül verbundenen Glykoproteinen gehören viele Enzyme und Hormone sowie alle Antikörper. Außerdem sind sie als Antigene bzw. Rezeptoren wichtige Bestandteile von Membranen.

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Proteinbiosynthese

Proteine werden in einer Zelle durch Ablesen der Erbinformation gebildet, die in einem bestimmten Gen gespeichert ist. Dabei wird von dem Gen im Zellkern zunächst eine Abschrift in Form eines kettenförmigen Ribonucleinsäure-Moleküls hergestellt (Transkription), der mRNA (messenger-RNA oder Boten-RNA). Nachdem aus der mRNA nutzlose Abschnitte mit Hilfe spezieller Enzyme herausgeschnitten wurden (siehe Mosaikgene), wandert die mRNA aus dem Zellkern zu einem Ribosom. Dort findet die Translation statt: Jedem Nucleotid der mRNA wird dem genetischen Code entsprechend eine Aminosäure zugeordnet, bevor sie nacheinander einer Peptidkette angehängt werden. Der gesamte Prozess wird als Genexpression bezeichnet.

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Modifikationen und Interaktionen von Proteinen

Im Zytoplasma werden die Proteinmoleküle oft noch chemisch modifiziert, d. h., ihre Molekülstruktur wird durch andere Moleküle geändert. Häufig wird beispielsweise mittels eines Enzyms (einer Kinase) eine Phosphatgruppe angehängt. Dieser Phosphorylierung genannte Schritt aktiviert das betreffende Protein, d. h., es nimmt seine Funktion im Stoffwechsel der Zelle auf. Bei einer anderen häufigen Modifikation, der Glykosylierung, wird ein Kohlenhydratmolekül angehängt. Dadurch kann das Protein vor der Zerstörung durch zelleigene Mechanismen bewahrt oder zu seinem Bestimmungsort geleitet werden (z. B. Glykoproteine in Membranen). Da all diese Prozesse nach der Translation stattfinden, werden sie posttranslationale Modifikationen genannt. Mit posttranslationalen Modifikationen von Proteinen können Zellen viel schneller auf veränderte Umweltbedingungen reagieren als mit einer Neubildung über Genexpression.

Viele globuläre Proteine bilden erst dann funktionsfähige Enzyme, wenn sie mit einem bestimmten Vitamin-Derivat, einem so genannten Coenzym, verbunden sind. Der deutsche Zell- und Molekularbiologe Günter Blobel fand heraus, wie Proteine am richtigen Ort in der Zelle eingesetzt werden: Neu gebildete Proteine erhalten von den Ribosomen so genannte Signalpeptide, die sie an den Einsatzort dirigieren. Blobel erhielt 1999 für seine Entdeckung den Nobelpreis für Medizin.