Proteine oder Eiweiße (seltener: Eiweißstoffe) sind aus Aminosäuren aufgebaute biologische Makromoleküle. Proteine finden sich in allen Zellen und verleihen ihnen nicht nur Struktur, sondern sind auch „molekulare Maschinen“, die Metabolite transportieren, Ionen pumpen, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen.
Das Wort Protein wurde erstmals 1839 in einer Veröffentlichung[1] von Gerardus Johannes Mulder benutzt. Diese Bezeichnung wurde ihm 1838 von Jöns Jakob Berzelius vorgeschlagen, der ihn von dem griech. Wort πρωτεῖος proteios für ‚grundlegend‘ und ‚vorrangig‘, basierend auf πρῶτος protos für ‚Erster‘ oder ‚Vorrangiger‘, abgeleitet hatte. Dahinter stand die irrtümliche Idee, dass alle Proteine auf einer gemeinsamen Grundsubstanz basieren.[2] Daraus entstand ein heftiger Streit mit Justus von Liebig.
Die Gesamtheit aller Proteine in einem Lebewesen, einem Gewebe, einer Zelle oder einem Zellkompartiment, unter exakt definierten Bedingungen und zu einem bestimmten Zeitpunkt, wird als Proteom bezeichnet.
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. Auf acht Aminosäuren ist der menschliche Organismus besonders angewiesen, denn sie sind essenziell, das bedeutet, dass der Körper sie nicht selbst herstellen kann, sondern mit der Nahrung aufnehmen muss. Die Aminosäureketten können eine Länge von bis zu mehreren tausend Aminosäuren haben, wobei man 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 Aminosäurensequenz eines Proteins – und damit sein Aufbau – ist in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) kodiert. Der dazu verwendete genetische Code hat sich während der Evolution der Lebewesen kaum verändert. 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.
Das haploide humane Genom enthält rund 20.300 Protein-kodierende Gene – viel weniger, als vor der Sequenzierung des Genoms angenommen.[3] Tatsächlich kodieren nur etwa 1,5 Prozent der gesamten genomischen DNA für Proteine, während der Rest aus Genen für non-coding RNA, sowie Introns, regulatorischer DNA und nichtkodierenden Desoxyribonukleinsäuren besteht.[4] Da viele der Protein-kodierenden Gene, z. B. durch alternatives Splicing des Primärtranskripts (Präkursor-mRNA) eines Gens mehr als ein Protein produzieren, kommen im menschlichen Körper weit mehr als nur 20.300 verschiedene Proteine vor. Darüber hinaus kennt man heute Proteine, die aus Exonen von Genen aus räumlich weit entfernten Regionen, mitunter sogar unterschiedlichen Chromosomen, aufgebaut sind.[5] Mithin ist die traditionelle Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese (auch: Ein-Gen-eine mRNA-ein-Protein-Hypothese) für höhere Organismen heute nicht mehr haltbar.[6][7]
Die kleinsten Proteine werden als Peptide bezeichnet. Dipeptide sind z.B. aus nur zwei Aminosäuren aufgebaut. Das größte bekannte Protein ist das Muskelprotein Titin und besteht aus über 30.000 Aminosäuren.
Proteine brauchen, um ihre Funktion ausüben zu können, eine Mindestgröße. Zwar können bereits Di- und Tripeptide als Hormon agieren, für eine Enzymfunktion jedoch sind mindestens 50 bis 100 Aminosäuren notwendig. Andererseits können Proteine nicht unbegrenzt viele Aminosäuren enthalten. Die Zeit, die der Zusammenbau (Proteinbiosynthese) der Aminosäurenkette benötigt, hängt direkt von der Anzahl der Aminosäuren ab. Außerdem steht nur eine bestimmte Menge Aminosäuren zur Verfügung. Zuletzt sammeln sich in der DNA im Lauf der Jahre Mutationen, die besonders die großen Proteine betreffen. Daher haben die meisten Proteine weniger als 1,000 Aminosäuren, und am häufigsten sind solche, die zwischen 100 und 300 Aminosäuren aufweisen (siehe Balkengrafik).
Die räumliche Struktur bedingt die Wirkungsweise der Proteine. Die Proteinstruktur lässt sich auf vier Betrachtungsebenen beschreiben:
Die Einteilung in Primär- bis Quartärstruktur erleichtert das Verständnis und die Beschreibung der sequentiellen Faltung von Proteinen. Unter physiologischen Bedingungen muss eine definierte Primärstruktur zu einer definierten Tertiärstruktur (oder Quartärstruktur) führen. Anders gesagt: Der Informationsgehalt, der sich in einer bestimmten dreidimensionalen Proteinstruktur äußert, ist bereits in der linearen Primärstruktur (d.h. in der „eindimensionalen“ Aminosäuresequenz) enthalten.
Viele komplexe Proteine können sich 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:
Vereinfachend 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 die biochemischen Eigenschaften des Proteins werden von den Seitenketten bestimmt.
Zum besseren Verständnis von Aufbau und Funktion ist es unerlässlich, die räumliche Gestalt von Proteinen mithilfe geeigneter Grafikprogramme darzustellen.
→ Für weitere Details siehe den Artikel Molekulardesign
Das meistverbreitete Dateiformat für Atompositionsdaten 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. Auf Basis dieser Datei kann dann z.B. in Jmol die 3D-Struktur dargestellt werden.
Proteine können im Organismus folgende, sehr spezielle Funktionen haben:
Mutationen in einem bestimmten Gen können potentiell Veränderungen im Aufbau des entsprechenden Proteins verursachen, woraus sich folgende mögliche Auswirkungen auf die Funktion ergeben:
Die Aufreinigung und Anreicherung von Proteinen aus biologischem Material ist ein wichtiger Schritt in der biochemischen Identifikation und Charakterisierung von neu entdeckten Proteinen.
In der Biotechnologie und dort besonders bei rekombinanten Proteinen ist die reproduzierbare, sorgfältige Proteinreinigung – meist in großem Maßstab – eine wichtige Voraussetzung zur Verwendung dieser Proteine in der Diagnostik oder Therapie.
Folgende Nachweise, die keine Absolutmessungen darstellen und alle ihre Limitationen haben (z.B. Fehlmessungen durch interferierende Substanzen; Bezug auf ein bestimmtes Standardprotein etc.), dienen zur Quantifizierung von Proteinen:
Ist es sicher, dass ein (gereinigtes) Protein vorliegt, kann dieses durch Analyse der Aminosäuresequenz identifiziert werden – sofern die N-terminale Aminosäure nicht acetyliert, formyliert oder myristoyliert ist, oder durch Pyroglutamate-Bildung oder andere Modifikationen blockiert und damit für die Sequenzanalyse unzugänglich ist. Sind in einer Zelle die Sequenzen aller Proteine bekannt, zum Beispiel weil das gesamte Genom bekannt ist, können zumindest die nicht durch PTM veränderten Proteine anhand ihrer Molmasse identifiziert werden, da die Wahrscheinlichkeit für eine gleiche Molmasse bei zufälliger Sequenz sehr gering ist. Die dazu verwendete Technik heißt MALDI-TOF.
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 Eiklar 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 durch Kochen ihre Speisen, um sie leichter verdaulich zu machen. Durch die Denaturierung ändern sich die physikalischen und physiologischen Eigenschaften der Proteine, wie zum Beispiel beim Spiegelei, das durch die Hitze in der Pfanne denaturiert wird. Auch hohes Fieber kann aufgrund der zu hohen Körpertemperatur körpereigene Proteine denaturieren. Diese Proteine können dann ihre Aufgaben im Organismus nicht mehr erfüllen, was für den Menschen lebensgefährlich werden kann. Einige Proteine der roten Blutkörperchen denaturieren beispielsweise bereits bei 42°C. Das Fieber hat eigentlich aber eine schützende Funktion, nicht eine zerstörende. 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.
Durch Reaktive Sauerstoffspezies können Proteine oxidiert werden. Der Vorgang nenn sicht Proteinoxidation und spielt bei Alterungsprozessen und einer Reihe von pathologischer Zustände eine wichtige Rolle. Die Oxidation kann zu einem weitgehenden Funktionsverlust und zu Ansammlung von degenerierten Proteinen in der Zelle führen.[8]
Die Gesamtmenge der als nachwachsende Rohstoffe in der stofflichen Nutzung verwendeten Proteine wird für Deutschland im Regelfall mit etwa 55.000 t pro Jahr angegeben.[9] Genaue Angaben über die Herkunft dieser Proteine gibt es nicht, es ist jedoch anzunehmen, dass sie zu einem großen Teil tierischer Herkunft sind.
Der Großteil pflanzlicher Proteine wird für die Futtermittelindustrie aufgewendet, so die als Nebenprodukte bei der Pflanzenölpressung und -extraktion anfallenden Preßrückstände (z. B. Raps- und Sojakuchen, Extraktionsschrot) und Nebenprodukte der Gewinnung von Stärke aus Getreide. Pflanzen, die zur Hauptnutzung als Proteinpflanzen angebaut werden, wie bspw. Lupine, Eiweißerbse und Ackerbohne, haben nur eine geringe Bedeutung[10] – die Gesamtfläche für den Anbau dieser Pflanzen als Nachwachsende Rohstoffe in Deutschland liegt bei etwa 30 ha pro Jahr.[11] Etwa 1.000 t Weizenproteine finden jährlich Einsatz in der Chemischen Industrie.
Von zentraler Bedeutung für die chemisch-technische und biotechnologische Industrie sind dagegen tierische Proteine. Dabei spielt vor allem die Gelatine eine zentrale Rolle, die in Europa vor allem aus Rinderspalt, Schweineschwarten sowie Knochen von Rindern und Schweinen gewonnen wird. In Deutschland werden jährlich etwa 32.000 t Gelatine in Speisequalität hergestellt, die europäische Gesamtproduktion beträgt 120.000 t (70 % Schweineschwarten, 18 % Knochen, 10 % Rinderspalt, 2 % Sonstige).[12][13] Verwendet werden in Deutschland etwa 90.000 t, wobei 2/3 im Ernährungsbereich und von dem Rest etwa die Hälfte für den Futtermittelbereich aufgewendet werden. Etwa 15.000 t werden in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet. Dabei finden sich die Haupteinsatzbereiche in der Pharmaindustrie, mit Umhüllungen von Tabletten und Vitaminpräparaten (Hart- und Weichkapseln) sowie Gelatinezäpfchen. Außerdem wird Gelatine für blutstillende Schwämmchen sowie als Blutplasmaersatz eingesetzt. In der analogen Fotografie stellt Gelatine die Basis für die fotoempfindlichen Schichten auf dem Film und dem Fotopapier dar. Auch moderne Druckerpapiere zum Ausdrucken von Farbbildern sind mit Gelatine beschichtet.[13]
Neben Gelatine stellt Casein eine wichtige Proteinquelle für die chemische Industrie dar. Das aus Milcheiweiß gewonnene Protein wird vor allem als Beschichtungsmaterial für Glanzpapiere sowie als Zusatz für Streichfarben verwendet (ca. 1–2 % je nach Hersteller). Zudem findet es Verwendung als Etikettenkleber auf Glasflaschen. Jährlich werden in Deutschland etwa 8.000 bis 10.000 t Casein eingesetzt.
Die Nutzung von Proteinen aus Blutmehl zur Herstellung von Biokunststoffen (z. B. Pflanztöpfe) befindet sich noch in der Entwicklung, ebenso ein Verfahren zur biotechnologischen Herstellung von Fasern aus Seidenproteinen zur Verarbeitung in Schäumen, Vliesstoffen oder Folien.[14][15]
Etwa 6.000 bis 7.000 t Proteine sind Autolyseprodukte aus Hefen (Hefeextrakte). Diese finden Anwendung vor allem in der Pharmazeutischen Industrie und der Nahrungsmittelindustrie sowie in der Biotechnologischen Industrie als Nährlösung für Mikroorganismen.
Sehr proteinhaltige Nahrungsmittel sind:
Studien des amerikanischen Biochemikers Thomas Osborne und Lafayette Mendel, Professor für Physiologische Chemie in Yale, 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 „hochwertiger“ als pflanzliches Eiweiß sei. Tatsächlich kann man aber mit wenigen hochwertigen Pflanzenproteinen (Kartoffel, Soja) eine gleichwertige Ernährung erreichen. Es kommt bei Protein als Nahrung allein auf den Anteil an deren Bausteinen, den Aminosäuren, an.
→ Für Details zum Thema siehe die Artikel essentielle Aminosäure, biologische Wertigkeit und Aminosäureindex
Als vollwertigen Ersatz des proteinreichen Fischmehls durch Protein aus Fliegenlarvenmehl züchtet ein Unternehmen auf dem agrarwissenschaftlichen Gelände der Universität Stellenbosch in Elsenburg (Südafrika) millionenfach Stubenfliegen (Musca domestica) heran. Aus einem Kilo Fliegeneier können in nur 72 Stunden ungefähr 380 bis 420 Kilogramm Protein entstehen. Bei entsprechender Großproduktion könnte ein großer Teil der weltweiten Fischmehlproduktion eingespart und die Weltmeere vom industriellen Fischfang entlastet werden. Noch in 2012 will das Unternehmen "Agriprotein" in die Massenherstellung gehen.[16] 65 t Blut aus herkömmlichen Schlachtereien werden benötigt, um 100 t Fliegenlarven auf eine Länge von jeweils rund 12 mm heranzuziehen, aus denen wiederum im Wege der Trocknung, Vermahlung zu Madenmehl und anschließenden Pelletierung 20 t des Proteinprodukts gewonnen werden.[17] Eine weitere Pilotanlage in Deutschland wird von der deutschen Regierung mit 50 % gefördert.[18] Das Unternehmen hat 2012 den People and Environment Achievement Award erhalten.[19][20][21][22]
Protein (Eiweiß) hat eine große Anzahl von Aufgaben im menschlichen Körper. Es ist unter anderem zum Aufbau und zum Erhalt der Körperzellen notwendig und hilft bei der Heilung von Wunden und Krankheiten. Den Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung zufolge sollten Erwachsene täglich etwa 0,8 Gramm Protein pro Kilogramm Körpergewicht mit der Nahrung zu sich nehmen. Bei Kindern und Jugendlichen ist der Bedarf mit 0,9 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht um 12,5 % erhöht, bei schwangeren und stillenden Frauen ist der Bedarf um circa 20 bis 30 Prozent erhöht.[23] Bei körperlicher Aktivität steigt der Bedarf an Protein hingegen nicht.[24] Die essenziellen Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin müssen über die Nahrung zugeführt werden. Ein Merksatz hierzu lautet: Phenomenale Isolde trybt metunter Leutnant Valentins lysterne Thräume.
Ein Mangel (Eiweißmangel) kann folgende Symptome hervorrufen:
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.
Die Herstellung bestimmter Proteine mit genau festgelegter Aminosäuresequenz und möglicherweise weiteren Veränderungen (Glykosylierung) geschieht heute sowohl im Labor als auch großtechnisch entweder durch Peptidsynthese oder biotechnologisch durch Überexpression in verschiedenen Organismen und folgender Proteinreinigung. Prinzipiell können industriell dieselben Verfahren angewandt werden wie im Labor, jedoch ist die Verwendung von Nutzpflanzen durch Pharming am besten für die großtechnische Nutzung geeignet, bei der mit Bioreaktoren in Reinräumen gearbeitet wird. Um die geeigneten Organismen zu erhalten, werden gentechnische Methoden eingesetzt.
Technische Proteinproduktion findet weltweit hauptsächlich in der Pharmazie statt, die Produkte heißen Biopharmazeutika. Ein weiterer Bereich ist die Herstellung von Enzymen für industrielle Zwecke, zum Beispiel als Waschmittelzusätze oder für die Nahrungsmittelindustrie.
Die gezielte (per ortsspezifischer Mutagenese) oder ungezielte (durch Mutagene) Veränderung rekombinanter Proteine (engl. Protein Engineering) kann zu Funktionsverlusten oder -gewinnen führen. Durch eine Codon-Optimierung kann die Expressionsrate unabhängig von der Wahl des Promotors und Enhancers (siehe Operon) gesteigert werden. Posttranslational modifizierbare Aminosäuren, wie sie in Glycosylierungs-, Phosphorylierungs-, Acetylierungs-, Sulfatierungs-, Myristylierungs-, Palmitoylierungs-, Farnesylierungs- und Geranylgeranylierungsstellen vorkommen, können durch gezielte Punktmutationen in der DNA in das Protein eingeführt oder entfernt werden. Punktmutationen können auch über die Veränderung der Primärstruktur die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur beeinflussen, wie unter anderem über Disulfidbrücken-ausbildende Cysteine, rotationsflexible (Glycin), helixbildende (z. B. Alanin) oder helixbrechende Aminosäuren (Prolin). Ebenfalls können so Bindungseigenschaften, katalytische oder immunologische Eigenschaften verändert werden. Durch leserasterkonforme Deletionen von Multiplen von drei Nukleotiden können Eigenschaften entfernt werden, so dass gelegentlich andere Eigenschaften des Proteins in den Vordergrund treten, wie z. B. bei der Entfernung regulatorischer Domänen. Neue Proteindomänen und damit einhergehende Funktionen können durch leserasterkonforme Insertionen von DNA-Sequenzen (aus Multiplen von drei Nukleotiden) in ein Gen hinzugefügt werden, die entstehenden hybriden Proteine bezeichnet man als Fusionsproteine.
Wiktionary: Protein – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, ÜbersetzungenDieser Artikel basiert auf dem Artikel Protein aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und ist unter der Lizenz Creative Commons Attribution/Share Alike verfügbar. Zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |
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