Wagner, H. (2003) Mitteilungsblatt BAFF 42, Nr. 162, 315-327

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Aufbau und Funktion der ProteineStructure and function of proteins

H. WAGNER

Zusammenfassung

Peptide und Proteine spielen in jeder Zelle aufgrund ihrer Vielzahl von Funktionen eineherausragende Rolle. Die Aneinanderreihung von 20 Grundbausteinen, der proteinogenenAminosäuren, führt mit zunehmender Kettenlänge zu einer Zahl realisierbarer Verbindungen,die jedes Vorstellungsvermögen sprengt. Die durch die Faltung dieser Kette entstehendedreidimensionale Struktur, eventuell ergänzt durch weitere Protein- oder Nicht-proteinkomponenten, bestimmt die Funktion der Moleküle, z. B. Auf-, Ab- und Umbaustoffwechselrelevanter Stoffe sowie deren Transport und Speicherung, koordinierteBewegung, Stützfunktion, Immunabwehr sowie Informationsübermittlung. Für eineSystematik der Proteine kann außer der Funktion z. B. auch ihre Form, Größe, derWirkungsort, die Zusammensetzung (falls Nichtprotein- bzw. prosthetische Gruppenenthalten sind) oder ihre Löslichkeit herangezogen werden. In Bezug auf letztere sindAbhängigkeiten von pH-Wert und Salzkonzentration der Proteinlösungen zu beobachten.

Summary

In every cell peptides and proteins are of outstanding importance due to their manifoldfunctions. The lining up of 20 basic components (proteinogenic amino acids) with increasingchain length leads to an inconceivable number of realizable compounds. The three-dimensional structure formed by the folding of the chain of amino acids and eventuallycompleted by further protein or non-protein components determines the function of themolecules, for example the synthesis, decomposition or conversion of substances relevantfor metabolism, their transport and storage, coordinated motion, supporting function,immunologic defence or information transfer. For protein systematics apart from theirfunction, shape, size, place of activity, composition (in case non protein or prosthetic groupsare contained) or their solubility may be considered. With respect to the latter, dependencieson pH and salt concentration of the protein solutions are existing.

Schlüsselwörter Proteine – Struktur – Funktion – Denaturierung – Löslichkeit

Key Words proteins – structure – function – denaturation – solubility

Einleitung

Der Stoffklasse der Proteine oder Eiweiß-stoffe wurde von ihrem NamensschöpferBerzelius 1838 entsprechend dem Sinndes zugrundeliegenden griechischenWortes eine „erste“ oder „wichtige“ Funk-tion hinsichtlich des Lebens oder der Er-nährung zugeordnet. Diese Rolle kannauch heutzutage angesichts des ange-wachsenen chemischen Wissens bestätigt

werden. Sieht man in den Nukleinsäurendes Zellkerns die Informationsträger fürden Aufbau der Zellen bzw. die Konstruk-tionsanleitung, so kann man die Proteineals Material für die Realisierung dieserBaupläne bezeichnen. Sie kommen in ei-ner sehr großer Vielfalt an Größe undFunktion vor und machen mit mehr als50 % Anteil den Hauptbestandteil an derTrockenmasse der Zellen von Mensch undTier aus. Im Gegensatz zu den Kohlen-

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hydraten und Fetten tritt ihre Bedeutungals Energieträger für den Organismus derTiere hinter der als vielgestaltiges Bau-material zurück.

Aminosäuren

Wie auch die Nukleinsäuren erhalten dieProteine ihre Bedeutung durch die Abfolgeeiner kleinen Anzahl von Grundbaustei-nen, im Fall der Proteine sind das dieAminosäuren. In den natürlichen Proteinenkommen 20 verschiedene Grundbausteinevor, die sog. proteinogenen Aminosäuren.Chemisch exakter ist die Bezeichnung α-Aminocarbonsäuren, die eine bessere In-formation über die gemeinsame Grund-struktur dieser Verbindungen gibt: EineAminogruppe befindet sich über ein ver-knüpfendes Kohlenstoffatom in unmittelba-rer Nachbarschaft (α-Stellung) einer Car-bonsäure- bzw. Carboxylgruppe (Abb. 1).Charakteristisch für die jeweilige Amino-säure ist die Seitenkette R. Von Amino-säuren, deren α-Kohlenstoffatom von vierunterschiedlichen Gruppen umgeben ist(alle außer Glycin, Abb. 2), existieren imPrinzip jeweils zwei Exemplare, die zuein-ander spiegelbildlich sind. Die natürlichenProteine enthalten lediglich eine Spezieshiervon, die L-Aminosäuren.

Entsprechend den chemischen Gruppen inder Seitenkette werden die Aminosäurenin unpolare und polare Aminosäuren ein-geteilt, die letzteren wiederum in neutrale,saure und alkalische. Eine neutrale polareGruppe resultiert aus dem Vorhandenseineiner –OH- oder –SH-Gruppe in der Sei-tenkette. Die saure Wirkung der Gruppe–COOH beruht darauf, dass das Proton H+in einer alkalischen wässrigen Lösung (diearm ist an Protonen) abgegeben werdenkann, so dass die negativ geladeneGruppe –COO- entsteht. Umgekehrt kanndie alkalische Gruppe –NH2 in der Seiten-kette in einer sauren wässrigen Lösung(die reich ist an Protonen) ein Proton auf-nehmen, so dass die positiv geladeneGruppe –NH3+ resultiert. Die Summe derpolaren Effekte der Seitenketten ist vonfundamentaler Bedeutung für die Löslich-keit der zu einem Protein kombiniertenAminosäuren, worauf weiter unten nocheingegangen wird.

8 der 20 proteinogenen Aminosäuren kannder menschliche Organismus nicht selbstaufbauen, wir sind darauf angewiesen,diese mit der Nahrung aufzunehmen, dasie in verschiedenen Funktionen für Stoff-wechselvorgänge auch als Einzelmolekülelebensnotwendig sind. Der Gehalt an die-sen essentiellen Aminosäuren bestimmtden Wert eines Proteins als Lebensmittel(biologische Wertigkeit).

Die Peptidbindung

Die Carboxylgruppen können mit den α-Aminogruppen anderer Aminosäuren unterbestimmten Bedingungen nach einerWasserabspaltung eine chemische Bin-dung eingehen, wodurch im Prinzip eineunendlich lange Kette aus Kohlenstoff-und Stickstoffatomen entstehen kann.Hierbei wiederholt sich die Gruppierung–NH-CO-CHR-; den Abschnitt –NH-CO-,der durch die Reaktion zweier Aminosäu-ren entsteht, nennt man Peptidbindung(Abb. 3). Je nach der Anzahl der Amino-säurebausteine entstehen hierbei Verbin-dungen, die man als Dipeptide, Tripeptide,Oligopeptide (ca. 2-10 Aminosäuren),Polypeptide (ca. 10-100 Aminosäuren)oder Proteine (ab etwa 100 Aminosäuren)bezeichnet. Bei einer Kettenlänge von100 Aminosäuren ergeben sich 20100 Mög-lichkeiten der unterschiedlichen Ver-knüpfung, dies entspricht einer Zahl von10130, einem astronomisch hohen Wert.Die meisten natürlich vorkommendenProteinketten enthalten zwischen 50 und2000 Aminosäuren.

Die Strukturhierarchie der Proteine

Die lineare Abfolge der Aminosäuren(Primärstruktur), die übrigens durch eineentsprechende Anordnung von Nukleoti-den in den Nukleinsäuren bestimmt wird,ist charakteristisch für ein bestimmtesProteinmolekül mit einer bestimmtenFunktion. Für das Verständnis der Funk-tion von Proteinen ist jedoch das Wissenum die räumliche Struktur der MoleküleVoraussetzung, die sich auf der Basis derPrimärstruktur, der Wechselwirkung derder Kettenglieder untereinander, derWechselwirkung kompletter Protein-stränge untereinander sowie eventuell

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auch aufgrund der Integration von Nicht-proteinkomponenten ergibt. Während diePrimärstruktur ausschließlich durch starkekovalente Bindungen (sog. Atombindun-gen) zustande kommt, spielen diese beider Entstehung der räumlichen Strukturbis auf eine Ausnahme keine Rolle. Beider räumlichen Anordnung werden schwä-chere Kräfte (sog. schwache Wechselwir-kungskräfte) wirksam, die wie die Wasser-stoffbrückenbindung auf einer ungleich-mäßigen Ladungsverteilung in denMolekülen beruhen (s. weiter unten). Untergeeigneten Umständen können unterStabilisierung durch Wasserstoffbrücken-bindungen geordnete regelmäßige Faltun-gen der Polypeptidkette auftreten. Fallsdiese Wechselwirkungen zwischen nahebenachbarten Aminosäuren auftreten,entsteht eine Spirale mit der Peptidketteals „Rückgrat“, eine sog. Helixstruktur(Abb. 4). Sind Wasserstoffbrücken zwi-schen unterschiedlichen Polypeptidkettenoder weiter auseinander liegendenTeilstücken einer Kette bestimmend, ent-steht eine Faltblattstruktur (Abb. 5). Wäh-rend diese Sekundärstrukturen oft nur inTeilabschnitten der Polypeptidkette oderbisweilen überhaupt nicht realisiert sind,wird die Tertiärstruktur als großräumigedreidimensionale Struktur immer ausgebil-det. Sie wird fixiert durch die bereits beiden Sekundärstrukturen erwähntenschwachen Wechselwirkungskräfte sowiein diesem Fall als einzigem kovalentenBindungstyp die Disulfidbrücke, die sichzwischen zwei Molekülen der AminosäureCystein bilden kann (Abb. 6). Eine Quar-tärstruktur ist gegeben, wenn ein Proteinaus mehreren Untereinheiten zusammen-gesetzt ist. Dies können identische oderverschiedene Proteinketten, Metallionenoder über Atombindungen angebundenechemisch andersartige bioaktive Gruppensein (Abb. 7).

Systematische Einteilung der Proteine

Eine systematische Einteilung der varian-tenreichen Spezies der Proteine kannnach einer Vielzahl von Gesichtspunktengeschehen und wird sich am Schwerpunktder jeweiligen Interessen orientieren: z. B.nach Form (rund, länglich), Zusammen-setzung (nach den vorhandenen Nicht-

Protein- bzw. prosthetischen Gruppen),Größe, Löslichkeit, Funktion, Wirkungsortoder Aminosäuresequenzen.

Verbreitet ist die Einteilung in die wasser-unlöslichen Faser- bzw. Skleroproteine ei-nerseits und die kugeligen oder ellipsoidenglobulären bzw. Sphäroproteine anderer-seits, die in Wasser oder verdünntenSalzlösungen löslich sind. In beiden Grup-pen können sowohl Helix- als auch Falt-blattstrukturen vorkommen. Zu den glo-bulären Proteinen gehören diewasserlöslichen Albumine und die was-serunlöslichen, aber in verdünnten Salzlö-sungen löslichen Globuline.

Eine andere Einteilungssystematik nimmtBezug auf die Integration prosthetischerGruppen, die sowohl über starke Atombin-dungen an die Seitenketten, Ionenbindun-gen oder über schwache Wechselwir-kungskräfte (polare Gruppen) gebundensein können.

Wenn diese prosthetische Gruppe einenorganischen Farbstoff enthält, spricht manvon Chromoproteinen. Die bekanntestenBeispiele sind das Myoglobin, das dieFleischfarbe bedingt und das Hämoglobinder roten Blutkörperchen. Das Myoglobinist mit einer Häm-Gruppe verknüpft, dieeinen stickstoffhaltigen Porphyrinring undein zentrales Eisenatom enthält. Diesesbesitzt sechs Stellen, an denen Bindungs-partner andocken können. Vier sind mitden Stickstoffatomen des Porphyrinringsverbunden, die fünfte Bindung koppeltüber einen Histidinrest in der Seitenkettedas Globin an (Abb. 8). An die sechsteStelle kann reversibel ein Sauerstoffmole-kül gebunden werden: Myoglobin fungiertals Sauerstoffspeicher in der Muskulatur.Das Hämoglobin, das als Sauerstoff- undKohlendioxidtransporter im Blut vorhandenist, besteht aus vier dem Myoglobin ähnli-chen Einheiten, von denen jeweils zweiidentisch sind (Abb. 7).

In den Nucleoproteinen sind basischeProteine mit Nucleinsäuren über Ionenbin-dungen vergesellschaftet. Sie kommen inViren und in Zellbestandteilen vor, derZellkern z. B. besitzt einen Proteinanteilvon 75 %.

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In den Lipoproteinen sind Fettstoffe(Lipide) und Proteine über schwacheWechselwirkungskräfte aneinander gebun-den. Man findet sie z. B. als Plasma-proteine HDL (high density lipoproteins;der Proteinanteil überwiegt) und LDL (lowdensity lipoproteins; der Fettanteil,insbesondere Cholesterol überwiegt) imBlut, wo sie dem Transport von Lipiden imOrganismus dienen. Die Proteine dienenin diesem Fall als Löslichkeitsvermittler,denn Lipide als solche sind in wässrigenMedien nicht löslich. Lipoproteine spielenauch eine besondere Rolle als biologischaktive Moleküle in den Wänden(Membranen) nicht-pflanzlicher Zellen, dieaus Lipidschichten bestehen.

Glycoproteine sind zusammengesetztaus einer Eiweißkomponente und einemKohlehydrat. Plasmaglycoproteide verlei-hen z. B. als „Frostschutzmittel“ Fischen inder Antarktis die Fähigkeit, in Salzwasserbei weniger als 0 °C zu überleben. Siesind auch Bestandteile der Zellmembra-nen und spielen in dieser Funktion für dieZellerkennung, -differerenzierung und-kommunikation eine Rolle.

Fast ein Drittel aller bekannten Proteinebenötigt für katalytische Aktivitäten (Be-schleunigung chemischer Reaktionen) dieAnwesenheit von Metallionen. Metallo-proteine spielen eine wichtige Rolle invielen biochemischen Prozessen ein-schließlich Atmung (Hämoglobin undMyoglobin wurden bereits als Chromo-proteine erwähnt), Stoffwechsel derNahrungsbestandteile, Stickstofffixierung,Photosynthese, Signalübermittlung inNerven, Muskelkontraktion und demSchutz vor toxischen und mutagenenStoffen. Zur letzteren Kategorie gehörenProteine, die imstande sind, toxischeSchwermetalle zu binden und sie aus demKörper zu entfernen. Die Metallionen derMetalloproteine wirken, indem sie ent-weder Reaktionspartner der Proteine ingünstige Positionen bringen, Elektronenreversibel abgeben oder aufnehmen odermit ihren positiven Ladungen negativeLadungen ausgleichen können. InPhosphoproteinen ist zum Zweck desTransports und der Speicherung vonPhosphor Phosphorsäure gebunden. Das

bekannteste Beispiel ist das Casein derMilch.

Löslichkeit von Proteinen

Die Löslichkeit eines Stoffes in Wasserhängt ab von seiner Wechselwirkung mitden Wassermolekülen. Wassermolekülesind polar, d. h. sie sind zwar insgesamtgesehen elektrisch neutral, besitzen je-doch ein positives und negatives Endebzw. sind Dipole. Da sich entgegenge-setzte Ladungen anziehen, werden Wech-selwirkungen bzw. Lösungseffekte mit sol-chen Molekülen auftreten, die entwederals Ionen (geladene Teilchen) oder eben-falls in Form von Dipolen vorliegen(Abb. 9). In Bezug auf ihre Löslichkeit ver-halten sich die Proteine wie die Summe ih-rer Bausteine, die Aminosäuren, die, wiedort beschrieben, polare oder unpolareSeitenketten besitzen können. Die Prote-inketten sind in einer wässrigen Umge-bung normalerweise so angeordnet, dassdie Aminosäuren mit polaren Seitenkettenan der Oberfläche des Proteins sitzen. Dieunpolaren Seitenketten sind, wenn mög-lich, nach innen orientiert. Die polarenGruppen, vor allem die positiv oder nega-tiv geladenen, treten in Wechselwirkungmit den Dipolen des Wassers, so dassdiese sich in Schichten um das Protein-molekül lagern (Hydrathülle). Dieses lo-cker gebundene Wasser unterscheidetsich in seinen Eigenschaften von dem des„freien Wassers“ und bleibt auch bei derIsolierung des Proteins an das Protein ge-bunden. Die Ladungen der funktionellenGruppen an den Seitenketten addierensich zu einer Nettoladung. Ein Überschussvon Carboxylgruppen (–COO- ) beispiels-weise resultiert in einer negativen Nettola-dung. Fügt man der Lösung des Proteinsschrittweise in Form einer Säure Protonenhinzu (der pH-Wert sinkt), entstehen ausden negativen Gruppen ungeladene Car-boxylgruppen, während aus den ungela-denen Aminogruppen (–NH2 ) positiv gela-dene –NH3+ -Gruppen gebildet werden.Schließlich gelangt man an den Punkt, wosich negative und positive Ladungen amProtein gegenseitig aufheben (am sog.isoelektrischen Punkt), so dass die elekt-rostatische Abstoßung der gleich gelade-nen Moleküle verschwindet. Es wird ein

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Minimum der Löslichkeit erreicht, eventuellflockt das Protein aus. Ein entsprechenderVorgang, nur unter umgekehrten Vorzei-chen spielt sich ab, wenn aus der Lösungeines Proteins mit positiver Nettoladung(mit einem Überschuss an –NH3+-Grup-pen) Protonen abgezogen werden (z. B.durch allmähliche Zugabe einer Lauge,wobei der pH-Wert ansteigt). Die Anzahlder –NH3+-Gruppen verringert sich, die deraus ungeladenen Carboxylgruppen gebil-deten –COO- Gruppen steigt an, bis amisoelektrischen Punkt das Proteinmolekülkeine Ladung mehr trägt. Die isoelektri-schen Punkte sind charakteristische Grö-ßen der Proteine. Beispielsweise besitztMyosin, ein fibrilläres Protein, das denHauptanteil des Muskelproteins darstellt,einen isoelektrischen Punkt von ca. 5, d. h.bei pH 5 verliert das Protein einen Teilseiner Hydrathülle, die Moleküle rückennäher zusammen. Wegen der Schwerlös-lichkeit des Proteins ist ein Ausflockennicht zu beobachten, jedoch geht an die-sem Punkt auch die Fähigkeit des Mus-keleiweißes verloren, innerhalb eines lo-ckeren Netzwerks eine beträchtlicheMenge locker gebundenen Wassers zubeherbergen, die zusätzlich zum Hydrat-wasser vorhanden ist und dieses an Vo-lumen deutlich übertrifft. Das Wasserbin-dungsvermögen und die Quellfähigkeit vonungesalzenem Fleisch erreicht deshalb andiesem Punkt ein Minimum.

Weiterhin wird die Löslichkeit der Proteinevon der Salzkonzentration bestimmt. DieIonen von gering konzentrierten Salzenumgeben jeweils die entgegengesetzt ge-ladenen Seitenkettengruppen der Prote-ine, verringern die Wirkung ihrer Ladungund damit der Anziehungskraft nach au-ßen und somit die Tendenz der Molekülezu verklumpen und auszuflocken. Die Lös-lichkeit bzw. der „Einsalzeffekt“ nimmt mitsteigender Salzkonzentration zu, bis eineKonzentration erreicht wird, wo der Aufbauvon Hydrathüllen der Ionen mit dem derProteine in Konkurrenz bezüglich derhierfür verfügbaren Wassermoleküle tritt.Dadurch können auch unpolare Seiten-ketten an die Oberfläche der Proteine ge-langen. Weitere Salzzugaben führen dannzu einem Abbau des Einflusses der pola-ren Wechselwirkungen der Proteine mit

den Wasserdipolen bzw. zum Rückgangder Löslichkeit, dem „Aussalzeffekt“. ImZusammenhang mit Fleisch kommt der„Einsalzeffekt“ zum Tragen, wenn beimHinzufügen von Koch- oder Pökelsalz einTeil des ansonsten schwerlöslichenMuskeleiweißes (myofibrilläres Eiweiß) inLösung geht.

Denaturierung von Proteinen

Die Einwirkung von pH-veränderndenStoffen und Salzen kann in Abhängigkeitvon ihrer Konzentration und der Art desProteins auch weiter reichende Folgenhaben als Löslichkeitseffekte, nämlichVeränderungen der Proteinstruktur. DieseStrukturänderungen, die oft mit einer Ver-ringerung der Löslichkeit („Koagulation“),Veränderungen der physikalischen undchemischen Eigenschaften und einemweitgehenden Verlust der biologischenWirksamkeit einher gehen, nennt man De-naturierung. Sie entspricht dem Übergangvon einem hoch geordneten (nativen) Zu-stand in einen anders geordneten (denatu-rierten) Zustand. Dies betrifft vor allem dieTertiär- und Quartärstruktur, bei irrever-siblen Denaturierungen oftmals auch dieSekundärstruktur. Außer durch den Zusatzvon Salzen (besonders wirksam sindSchwermetallsalze) oder pH-Veränderun-gen können sie auch durch den Zusatz or-ganischer Lösungsmittel, Detergentien(oberflächenaktive Substanzen) oderdurch Erhitzen zustande kommen. DieserEffekt wird genutzt bei der Sterilisierungund der Konservierung von Lebensmitteln,da auch die Eiweißstoffe von Mikroorga-nismen (in unterschiedlichem Maße) ge-genüber diesen Einwirkungen sensibelsind: Hitzebehandlung von Konserven, beiniedrigen pH-Werten stabilisierte Fleisch-,Fisch- und Milcherzeugnisse sowie zahl-reiche pflanzliche Nahrungsmittel, Konser-vierung durch Salz oder Alkohol. Beim Er-hitzen von ungepökeltem Fleisch wird derMuskelfarbstoff Myoglobin denaturiert,was einen Farbumschlag nach grau zurFolge hat. Andere Beispiele sind das Ge-rinnen der Milch in saurem Milieu (Ausflo-cken von Casein) und das Hartwerden vonEiern beim Erhitzen. Bei einer reversiblenDenaturierung werden nicht-kovalenteBindungen gelöst, bei der irreversiblen

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zusätzlich auch kovalente Bindungen wieDisulfidbrücken.

Es konnte experimentell nachgewiesenwerden, dass sich komplett aufgefaltete(denaturierte) Proteine nach Einstellunggeeigneter Bedingungen spontan wiederin ihre ursprüngliche Struktur zurückfalten.Man geht davon aus, dass die Primär-struktur unter gegebenen äußeren Bedin-gungen (Temperatur, Lösungsverhält-nisse) die dreidimensionale Strukturdiktiert, wobei die Tendenz zur Orientie-rung der unpolaren Gruppen hin zumProteininneren und der polaren nach au-ßen eine wesentliche Rolle spielt. Unter-stützt wird diese Selbstorganisation durchHilfsproteine (molekulare Lotsen), diefehlerhafte Entwicklungen der Faltung kor-rigieren können.

Funktionen der Proteine

Die in der Einleitung angedeutete überra-gende Bedeutung der Proteine für das Le-ben bzw. die Ernährung ist die Folge einerVielzahl von Aufgaben und Funktionen in-nerhalb des Organismus, die bei der Vor-stellung des Aufbaus und der Eigen-schaften der Proteine teilweise bereitsangeklungen sind.

Ohne hierbei selbst verbraucht zu werden,beschleunigen Proteine als sog. Enzyme(biologische Katalysatoren) chemischeReaktionen, bzw. machen diese unter denBedingungen der Zelle überhaupt erstmöglich. Die Zellen produzieren alle hier-für notwendigen Enzyme selbst. Derzeitsind ca. 4000 bekannt, die jedoch nicht zujeder Zeit in jeder Zelle vorhanden seinmüssen. Die pro Zeiteinheit umgesetzteAnzahl von Substratmolekülen (das sinddie umgesetzten Reaktionspartner) einesEnzyms hängt von den jeweiligen Bedin-gungen ab, wird jedoch wesentlich vonseiner jeweiligen Funktion bestimmt. DieSkala reicht von sehr langsamen Molekü-len (Lysozym, das als weit verbreitetesBakterien zerstörendes Enzym Moleküle inderen Zellmembran spaltet, braucht etwa2 Sekunden für einen derartigen Vorgang)bis zu extrem schnellen (Katalase zersetztca. 40 000 000 Moleküle des ZellgiftsPeroxid pro Sekunde).

Charakteristisch ist die große Spezifitätder Enzyme hinsichtlich der Identität derumgesetzten Substrate und der Reakti-onsprodukte, für die der bekannte Schlüs-sel-Schloss-Vergleich (Abb. 10) geprägtwurde. An der die Reaktion fördernden(aktiven) Stelle der Oberfläche des En-zyms existieren (vor allem als Folge derSekundär- und Tertiärstruktur) Strukturenin der Form von Einkerbungen oder Ta-schen, deren Form der des Substrats ex-akt als Negativform entspricht (komple-mentär ist). Das selektive Andocken derSubstratmoleküle an diese geometrischePassform wird noch optimiert durch eineAnordnung von Aminosäureresten an derBindungstelle, die ein Gegenstück zu vonden Atomen des Substrats ausgeübtenWechselwirkungskräften darstellen. Fallszwei Moleküle miteinander reagieren,können sie mittels dieser Methode in eineroptimalen geometrische Position zueinan-der fixiert werden. Moleküle, die sich inForm oder Verteilung ihrer funktionellenGruppen vom Substrat unterscheiden,können vergleichsweise nicht gut oder garnicht an das Enzym binden und damitauch nicht in Reaktion treten.

Die chemische Aktivität bzw. die biologi-sche Funktion als solche geht jedoch häu-fig (in ca. 50 % der Fälle) nicht von denentsprechenden Stellen des Proteins aus,sondern es können zusätzlich sog. Co-faktoren erforderlich sein. Dies könnenMetallionen oder organische Moleküle(Coenzyme) sein, wobei viele Organismenselbst nicht in der Lage sind, letztere her-zustellen. Sie müssen vielmehr als solcheoder als chemische Vorstufen (Vitamine)durch die Nahrung aufgenommen werden.Der chemisch aktive Komplex wird Holo-enzym genannt, der nach dem Entfernendes Cofaktors verbleibende Rest deszusammengesetzten Enzyms Apoenzym.

In Bezug auf ihren Namen sind Enzymemeist an der Endsilbe -ase zu erkennen,die an den Namen des Substratesoder/und an einen Begriff angehängt wird,der die katalytische Wirkung beschreibt,z. B. die Proteine abbauenden Proteasenoder die Fette spaltenden Hydrolasen, diepräziser auch als Lipasen bezeichnetwerden können.

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Die humoral, auf dem Weg über Körper-flüssigkeiten erfolgende Antwort des Im-munsystems auf einen Angriff von Antige-nen wie Viren, Bakterien und Zellen vonanderen Organismen besteht in der Bil-dung von sog. Antikörpern. Das sind Gly-coproteine (Immunglobuline), in denenebenfalls spezifische Oberflächenstruktu-ren eine wesentliche Rolle hinsichtlich derDifferenzierung und Bindung von „körper-eigenem“ und „fremdem“ Material spielen.

Viele Oligopeptide besitzen als Hormoneund Regulatoren biochemischer Pro-zesse große Bedeutung. Somatotropinfördert das Knochenwachstum und denProteinaufbau in der Muskulatur (anaboleWirkung). Die in den Zellen der Bauch-speicheldrüse gebildeten Hormone Gluca-gon und Insulin besitzen die Fähigkeit, denBlutzuckerspiegel zu steigern bzw. zusenken.

Eine Vielzahl natürlicher Toxine besitzteine Peptidstruktur. Dazu zählen Schlan-gengifte, Bienengift, das Gift des GrünenKnollenblätterpilzes, die Botulinustoxinevon Clostridium botulinum und das Teta-nustoxin.

Erst vor wenigen Jahren entdeckte man,dass Proteine auch als infektiöse Krank-heitserreger auftreten können, man machtPrionen („proteinartige infektiöse Parti-kel“) für Krankheiten wie Scrapie (beiSchafen und Ziegen), BSE, CWD (bei Hir-schen), Kuru und das Creutzfeld-Jakob-Syndrom (CJD) sowie die „neue VarianteCJD“ des Menschen verantwortlich. Die-ses Glycoprotein, von jedem Organismusin einer ungefährlichen löslichen Form inNervenzellen produziert, kann durch einMolekül der infektiösen Variante nach An-lagerung in dessen Form gezwungen unddamit selbst infektiös werden. Aufbauendauf Veränderungen der Sekundärstruktur(das abnormale Prion besitzt im Gegen-satz zur Normalform einen erheblichenAnteil an Faltblattstruktur) resultiert einefehlerhafte Faltung und eine Zusammen-lagerung aller „umgebauten“ Moleküle zueiner unlöslichen Variante, was die ord-nungsgemäße Funktion der Nervenzellestört. Unterschiede in der Zusammenset-zung der beiden Varianten (in der Primär-

struktur) konnten nicht gefunden werden(Abb. 11).

Strukturproteine gehören zu den fibrillä-ren Proteinen und erfüllen vor allem im tie-rischen Organismus Schutz- und Stütz-funktionen. Die Faserstruktur hat großemechanische Festigkeit und geringe Lös-lichkeit zur Folge, zumal die faserförmigenSekundärstrukturen häufig noch durchstabile Atombindungen miteinander ver-bunden sind. Oft existieren deutliche Un-terschiede zu anderen Proteinen in derAminosäurezusammensetzung. Das Kera-tin der Haare enthält bis zu 20 % dasschwefelhaltige Cystein, das Kollagen istreich an Glycin, Prolin und Hydroxyprolin.Letztere (nicht proteinogene!) Aminosäureist nahezu spezifisch für Kollagen undträgt zum Aufbau einer sog. Tripelhelix(Abb. 12) bei, einer besonders stabilenStruktur, in der drei Helices seilartig mit-einander verdrillt sind. Wie bei Tauen undKabeln ist hierbei die Drillrichtung desübergeordeten Faserbündels entgegenge-setzt. Kollagen ist mit einem Drittel derProteinmasse von Wirbeltieren deren häu-figstes Protein. Nur durch das Skleropro-tein Kollagen können große Tierkörper inihrem Aufbau gestützt werden. Aus ihmbestehen die u. a. die Sehnen und derHalteapparat der Zähne sowie auch dieWände der Schlagadern. Da Vitamin C alsCofaktor für das zur Synthese des Kolla-gens notwendige Enzym fungiert, tretenbei einem Mangel an diesem Vitaminkrankhafte Veränderungen des Bindege-webes mit Gewebeblutungen, Blutergüs-sen und lockeren Zähnen auf (typischeSyptome der Mangelkrankheit „Skorbut“).Das Protein ist bezüglich seiner biologi-schen Wertigkeit minderwertig, da essen-tielle Aminosäuren fehlen. Dies gilt auchfür Gelatine, die durch längeres Kochenaus Kollagen entsteht. Das in elastischenGeweben wie Lunge, Blutgefäßen undBändern zu findende Protein Elastin ist eingummiartiges, hochdehnbares Material,welches bis auf seine zwei- bis dreifacheAusgangslänge gedehnt werden kann; je-doch nur einen Bruchteil der Festigkeit vonKollagen besitzt. Eine Sekundärstruktur istnicht erkennbar; man nimmt an, dassdie fehlende Ordnung dem elastischenGewebe die außerordentlich große

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Dehnbarkeit verleiht. Im Gegensatz zuKollagen ist das Elastin ein extremunlösliches Material. Die Keratine stellendie Gerüstsubstanz für Haare, Wolle,Hörner, Nägel und Federn dar.

Proteine sind der Hauptbestandteil vonMuskelgewebe, dessen Kontraktion durchdie ineinander gleitenden Bewegungenvon Proteingerüsten zustande kommt. Dasgleiche Prinzip und die gleichen molekula-ren Grundlagen gelten auch für andereArten der koordinierten Bewegung, wiedie Wanderung der Chromosomen wäh-rend der Zellteilung oder die Fortbewe-gung der Samenzellen mit Hilfe ihrer Gei-ßeln. Die Myofibrillen dieser Bewegungs-

apparate enthalten in Wasser unlöslicheProteine, die sich aufgrund unter-schiedlicher Löslichkeit in Salzlösungenauftrennen lassen. Myosin ist ein fibrilläresProtein mit den längsten bekannten Poly-peptidketten, das bei Wirbeltieren fastausschließlich den Grundstoff der sog. di-cken Filamente bildet. Zusammen mitActin bewirkt es als Actomyosinkomplexdie Kontraktion der Muskeln. Actin ist einProtein, das bei Mehrzellern überall und ingroßen Mengen vorkommt, es ist derHauptbestandteil der sog. dünnen Fila-mente. Daneben dient ein Komplex ausTroponin und Tropomyosin in den dünnenFilamenten der Steuerung der Muskel-kontraktion.

Weiterführende Literatur

Voet, D., Voet, J.G.: Biochemie (dt. Überset-zung). VCH, Weinheim (1992)

Alberts, B., Bray, D., Lewis, J., Raff, M.,Roberts, K., Watson, J.D.: Molekularbiologieder Zelle (dt. Übersetzung). VCH, Weinheim(1986)

Hamaguchi, K.: The protein molecule. Confor-mation, stability and folding. Springer Verlag(1992)

Berg, J.M., Stryer, L., Tymoczko, J.L.: Bioche-mie. Spektrum Akademischer Verlag (2003)

Wrba, H., Pecher, O.: Enzyme. Ecomed (1998)

Zu dem grundlegenden Thema „Proteine“ bietet das Internet eine Fülle von zuverlässigenInformationen, z.B.:http://www.organik.uni-erlangen.de/vostrowsky/natstoff/naturstoffe.htmlhttp://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d17/17d.htm

Proteinstrukturen können bei der Protein Data Bank (http://pdb.ccdc.cam.ac.uk/pdb/) abgerufenwerden. Mit entsprechender Software sind „dreidimensionale“ Bewegungen der Molekülmodelleauf dem Bildschirm möglich.

Bildnachweise beim Autor.

Abb. 1: Allgemeine Strukturformel einer α-Aminosäure

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Aminosäuren mit unpolaren Seitengruppen

Glycin Alanin Valin Leucin Isoleucin

Methionin Phenylalanin Tryptophan Prolin

Aminosäuren mit ungeladenen polaren Seitenketten

Serin Threonin Cystein Tyrosin Asparagin Glutamin

Aminosäuren mit geladenen polaren Seitenketten basisch sauer

Lysin Arginin Histidin Asparaginsäure Glutaminsäure

Abb. 2: Die 20 proteinogenen Aminosäuren, differenziert nach ihrer Polarität; die 8 essentiellenAminosäuren sind fett gedruckt

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Abb. 3: Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren mit den Seitenketten R1 und R2

Abb. 4: α-Helix. Wasserstoffbrücken ........... zwischen C=O und NH-Gruppen längs der Ketten. Die Seitenketten R stehen radial zur Schraubenachse

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Abb. 5: ß-Faltblattstruktur. Wasserstoffbrücken ........... zwischen C=O und NH-Gruppen senkrecht zuden Ketten. Die Reste R ragen aus der Faltblattebene nach oben und unten heraus

Abb. 6: Bildung einer Disulfidbrücke aus zwei Molekülen Cystein und Faltung einer Peptidkette

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Abb. 7: Hämoglobinmolekül mit je vier Untereinheiten und Häm-Gruppen

Abb. 8: Myoglobin. Links Protein mit prosthetischer Gruppe, rechts Porphyrinring mit Eisenatomund angelagertem Sauerstoffmolekül

Abb. 9: Orientierung der Dipole von Wassermolekülen um ein Molekül mit positiven und negativenLadungszentren

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Abb. 10: In der am linken Rand des Enzymmolekülmodells erkennbaren Spalte (linkes Bild)wird ein passgenaues Substratmolekül gebunden (rechtes Bild) und umgesetzt

Abb. 11: Normales zelluläres Prionenprotein PrPC (links), Scrapieerreger PrPSC (rechts)

Abb. 12: In der Kollagenstruktur sind drei Helices miteinander verdrillt

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ZusammenfassungEinleitungAminosäurenDie PeptidbindungDie Strukturhierarchie der ProteineSystematische Einteilung der ProteineLöslichkeit von ProteinenDenaturierung von ProteinenFunktionen der Proteine