1.

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.

2.

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.

3.

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.

4.

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.

5.

Faserartige Proteine

Faserartige Proteine sind längliche Moleküle, die in Zellen und Geweben als Stütz- oder Verbindungsstrukturen dienen. Sie sind relativ stabil, aber auch elastisch. Diese Eigenschaften beruhen auf einer bestimmten, sich wiederholenden Abfolge von Aminosäuren in der Primärstruktur. Diese Aminosäuren binden aneinander oder sorgen durch hydrophobe Wechselwirkungen für eine gewundene, faserige Helixstruktur, die das Molekül reißfest und zugleich flexibel macht. Die wichtigsten Faserproteine sind Kollagen, Elastin, Keratin, Fibrinogen (ein Blutprotein) und verschiedene Motorproteine.

1.

Kollagen und Elastin

Kollagen ist mit einem Anteil von 25 bis 30 Prozent das weitaus häufigste Protein bei Wirbeltieren. Es befindet sich vorwiegend im Bindegewebe und davon abgeleiteten Körperstrukturen: Zähne, Knochen, Knorpel, Haut und Sehnen sind von Kollagenfasern durchdrungen, die außerhalb der Zellen im Gewebe liegen. Das Kollagenmolekül ist aus drei sehr langen Aminosäureketten zusammengesetzt. Jede besteht aus etwa 1 000 Aminosäuren, die zu einer Dreifach-Helix gezwirbelt sind. Mehrere Dreifach-Helices liegen in kohlenhydrathaltigen Kollagen-Fibrillen leicht versetzt nebeneinander; das gibt den Kollagenstrukturen große Festigkeit. Denaturiert man lange Kollagenfasern durch Kochen, so entstehen kürzere Ketten; das Produkt ist Gelatine. Elastin bildet ähnlich quervernetzte Fasern wie Kollagen, ist aber aufgrund seiner unregelmäßigen Sekundärstruktur elastischer; es kommt beispielsweise in der Wand von Arterien und Bronchien vor.

2.

Keratin

Keratin bildet die äußere Schicht der menschlichen Haut, Haare und sämtlicher Körperstrukturen aus Hornsubstanz, z. B. Nägel und Hufe, Schuppen und Federn, Schnäbel und Gehörn. Seine Struktur ist eine reguläre a-Helix, die zu kleineren Fibrillen und größeren Filamenten gebündelt ist. Keratin ist wie Kollagen in Wasser nicht löslich – eine wichtige Eigenschaft, die den Körper vor äußeren Einflüssen schützt. Durch zahlreiche Schwefelbrücken ist das Protein sehr stabil und wird auch nicht durch proteolytische (proteinlösende) Enzyme zersetzt.

3.

Fibrinogen

Fibrinogen ist ein lang gestrecktes, im Blutplasma lösliches Protein, das für die Blutgerinnung zuständig ist. Es besteht aus sechs nebeneinanderliegenden, quervernetzten Polypeptidketten. Wurde die Wand eines Blutgefäßes verletzt, wird am Ende einer komplexen Reaktionskaskade Fibrinogen in Fibrin überführt. Durch Polymerisation entstehen Fibrinfasern. Deren Quervernetzung bildet ein wasserunlösliches Netz, in dem Blutzellen und andere Bestandteile des Blutes hängen bleiben. So entsteht ein Blutpfropf, der die Wunde verschließt.

4.

Motorproteine

Motorproteine sind Proteine, deren längliche Filamente sich unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) gegeneinanderbewegen. Die wichtigsten Motorproteine in Zellen sind Actin, dessen Filamente sich aus globulären Monomeren (siehe Polymeren) zusammensetzen, sowie Myosin, Dynein und Kinesin. Actin und Myosin etwa sind für die Muskelkontraktion verantwortlich. Motorproteine sorgen auch im Zusammenwirken mit Mikrotubuli für den Transport von Vesikeln zwischen inneren Membranen und Organellen innerhalb einer Zelle. Actinfilamente sind außerdem neben Mikrotubuli wesentliche Bestandteile des Zytoskeletts von Zellen.

6.

Globuläre Proteine

Im Gegensatz zu Faserproteinen sind globuläre Proteine kugelförmig und meist gut in Körperflüssigkeiten löslich. Sie spielen eine wichtige Rolle im Stoffwechsel des Körpers. Beispiele für globuläre Proteine sind Albumine, Globuline, Hämoglobin, Enzyme und Peptidhormone. Albumine stellen die Mehrheit an Proteinen im Blut. Sie finden sich auch in Eiern, Milch und Pflanzensamen. Globuline sind ebenfalls in Körperflüssigkeiten enthalten und dienen tierischen und pflanzlichen Zellen als Speicherstoff; auch einige Enzyme gehören zu den Globulinen. Hämoglobin ist für den Sauerstofftransport im Blut zuständig und gibt den roten Blutkörperchen ihre Farbe. Man kennt heute mehr als 100 Varianten des menschlichen Hämoglobins.

1.

Enzyme

Alle Enzyme sind globuläre Proteine, die fast alle Prozesse im Stoffwechsel eines Organismus kontrollieren. Sie verbinden sich leicht mit anderen Substanzen, den Substraten, und katalysieren so zahllose chemische Reaktionen im Körper. Substrate werden hierzu an bestimmten Stellen der Molekülstruktur, dem aktiven Zentrum, angelagert und gebunden, vielfach nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip.

2.

Peptid-Hormone

Peptid-Hormone wandern (wie auch andere Hormone) im Blut zu bestimmten Zielorganen und lösen dort biochemische Prozesse aus. Sie haben beispielsweise Einfluss auf die Regulierung des Grundumsatzes, die Produktion von Verdauungsenzymen sowie die Milchproduktion von Frauen und weiblichen Säugetieren. Ein wichtiges Peptid-Hormon ist z. B. Insulin. Es stammt aus der Bauchspeicheldrüse und beeinflusst den Blutzuckerspiegel. Ein anderes Peptid-Hormon, das Thyreotropin aus der Hypophyse, kontrolliert die Funktion der Schilddrüse. Calcitonin, ein Peptid-Hormon aus der Schilddrüse, senkt den Calcium- und Phosphatspiegel im Blut.

3.

Antikörper

Antikörper, auch Gamma- oder Immunglobuline genannt, werden von speziellen Zellen des Immunsystems, den B-Lymphozyten, produziert. Sie reagieren mit Antigenen (Erregern oder Fremdkörpern) im Blut und sind maßgeblich an der spezifischen Immunantwort auf eine Infektion beteiligt. Ein einzelnes Antigen kann die Produktion vieler Antikörper anregen, die dann das Antigen von verschiedenen Seiten her angreifen und unschädlich machen.

4.

Mikrotubuli

Globuläre Proteine können sich durch Polymerisation zu Proteinfilamenten verbinden. Ein Beispiel hierfür sind die Mikrotubuli, hohle Röhrchen, die in Zellen sowohl als Stützelemente als auch als Transportmittel dienen. Jeder dieser Mikrotubuli besteht aus zwei Typen eines nahezu kugelförmigen Proteins (Tubulin), die sich paarweise zusammenfinden, sich am Ende des Röhrchens anlagern und dieses so verlängern. Mikrotubuli stellen auch das Gerüst von Geißeln und Cilien (Wimpern); Letztere sind haarähnliche Strukturen, die z. B. bei Wimpertierchen, Schwämmen und Epithelzellen des Menschen vorkommen.

7.

Ernährung

Zur Synthese der eigenen, lebenswichtigen Proteine benötigt jede Tier- oder Pflanzenart als Grundbausteine die 20 Aminosäuren, aus denen die Proteine ihres Organismus bestehen (proteinogene Aminosäuren). Pflanzen können diese Aminosäuren in ihrem Stoffwechsel aus Stickstoff, Kohlendioxid und anderen Substanzen selbst herstellen, die meisten anderen Lebewesen aber nur einen Teil davon. Fehlende Aminosäuren müssen daher als essentielle Aminosäuren über die Nahrung zugeführt werden.

Der Mensch benötigt acht essentielle Aminosäuren aus der Nahrung: Leucin, Isoleucin, Lysin, Methionin, Phenylanalin, Thionin, Tryptophan und Valin. Kinder und Jugendliche müssen zusätzliche Aminosäuren (z. B. Arginin und Histidin) mit der Nahrung aufnehmen, da ihr Stoffwechsel mehr davon benötigt als im Körper erzeugt werden kann. Bei schweren Krankheiten oder Verletzungen können neben den genannten acht Aminosäuren noch weitere essentiell werden. Auch mangelt es in manchen Regionen der Erde aufgrund einseitiger Ernährung an bestimmten Aminosäuren. Damit dem Körper sämtliche essentiellen Aminosäuren in ausreichender Menge zugeführt werden, empfehlen Ernährungsfachleute die regelmäßige Aufnahme von Eiern, Milch bzw. Milchprodukten und Pflanzensamen.

Die Ernährung in den Industrieländern ist meist ausreichend, um den Aminosäurebedarf der Menschen zu decken; dies gilt besonders für Länder, in denen Fleisch im Überfluss gegessen wird, etwa die USA. In Ländern der Dritten Welt, wo viele Menschen unterernährt sind, kommt es hingegen häufig zu Krankheiten, die durch den Mangel an bestimmten essentiellen Aminosäuren hervorgerufen werden. Eine solche Krankheit ist beispielsweise Kwashiorkor (siehe Fehlernährung), der bei vielen Kindern im tropischen Afrika auftritt. Die empfohlene tägliche Menge an Protein in der Nahrung beträgt für Erwachsene 0,79 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht. Bei Kindern ist diese Menge zwei- bis dreimal so hoch anzusetzen, da diese wegen ihres Wachstums wesentlich mehr Protein benötigen.