Was sind Proteine und wie funktionieren sie?

Proteine sind verantwortlich für die Katalyse chemischer Reaktionen wie die Verdauung von Nahrung, den Transport von Substanzen durch Organe, die Beseitigung von Krankheitserregern, die Erkennung von Signalmolekülen und vieles mehr in Ihrem Körper. Allein im menschlichen Körper sind mehr als 100.000 verschiedene Proteine im Einsatz, die alle wichtige Funktionen erfüllen.

Was sind Proteine und wie funktionieren sie?

Proteine sind verantwortlich für die Katalyse chemischer Reaktionen wie die Verdauung von Nahrung, den Transport von Substanzen durch Organe, die Beseitigung von Krankheitserregern, die Erkennung von Signalmolekülen und vieles mehr in Ihrem Körper. Allein im menschlichen Körper sind mehr als 100.000 verschiedene Proteine im Einsatz, die alle wichtige Funktionen erfüllen. Proteine bestehen aus Hunderten oder Tausenden von kleineren Einheiten, den Aminosäuren, die in langen Ketten aneinander gebunden sind. Es gibt 20 verschiedene Arten von Aminosäuren, die kombiniert werden können, um ein Protein zu bilden. Die Abfolge der Aminosäuren bestimmt die einzigartige dreidimensionale Struktur eines jeden Proteins und seine spezifische Funktion. Aminosäuren werden durch Kombinationen von drei DNA-Bausteinen (Nukleotiden) kodiert, die durch die Abfolge der Gene bestimmt werden.

Zellen sind auf Tausende von verschiedenen Enzymen angewiesen, um Stoffwechselreaktionen zu katalysieren. Enzyme sind Proteine, die den Ablauf einer biochemischen Reaktion wahrscheinlicher machen, indem sie die Aktivierungsenergie der Reaktion herabsetzen und so dafür sorgen, dass diese Reaktionen tausend- oder sogar millionenfach schneller ablaufen, als sie es ohne Katalysator tun würden. Enzyme sind hochspezifisch für ihre Substrate. Sie binden diese Substrate an komplementäre Bereiche auf ihrer Oberfläche und sorgen so für eine Passgenauigkeit, die viele Wissenschaftler mit einem Schloss und Schlüssel vergleichen. GTP-bindende Proteine werden durch regulatorische Proteine gesteuert, die bestimmen, ob GTP oder GDP gebunden wird, so wie phosphorylierte Proteine durch Proteinkinasen und Proteinphosphatasen an- und abgeschaltet werden. Zu den Familienmitgliedern gehören die rezeptor-assoziierten trimeren G-Proteine, die an der Zellsignalisierung beteiligt sind (besprochen in Kapitel 15), Proteine, die den Verkehr von Vesikeln zwischen intrazellulären Kompartimenten regulieren (besprochen in Kapitel 13), und Proteine, die an Transfer-RNA binden und als Assembly-Faktoren für die Proteinsynthese am Ribosom benötigt werden (besprochen in Kapitel 6).

Wenn man von kleinen Proteinen mit nur einer Domäne zu großen Proteinen fortschreitet, die aus vielen Domänen bestehen, werden die Funktionen, die die Proteine ausführen können, immer komplexer. Eine Klasse von Proteinen, die als Faserproteine bekannt sind, verleihen verschiedenen Teilen Ihres Körpers Struktur, Festigkeit und Elastizität. Im Allgemeinen sind Proteine auf tierischer Basis von höherer Qualität, da sie im Vergleich zu Proteinen auf pflanzlicher Basis einen höheren Anteil an essenziellen Aminosäuren enthalten. Proteine haben unterschiedliche Formen und Molekulargewichte; einige Proteine haben eine kugelförmige Gestalt, während andere faserförmig sind. Die Gesamtoberflächen von Membranproteinen sind Mosaike, mit Flecken von hydrophoben Aminosäuren, wo die Proteine die Lipide in der Membrandoppelschicht berühren, und Flecken von hydrophilen Aminosäuren auf den Oberflächen, die sich in das wasserbasierte Zytoplasma erstrecken. Und Membranproteine, die an der Oberfläche der Zelle exponiert sind, sowie Proteine, die außerhalb der Zelle sezerniert werden, sind oft durch die kovalente Addition von Zuckern und Oligosacchariden modifiziert.

Es gibt auch viele verschiedene Proteinphosphatasen; einige von ihnen sind hochspezifisch und entfernen Phosphatgruppen von nur einem oder wenigen Proteinen, während andere auf eine breite Palette von Proteinen wirken und durch regulatorische Untereinheiten auf spezifische Substrate ausgerichtet sind. GTP-bindende Proteine (wegen der GTP-Hydrolyse, die sie katalysieren, auch GTPasen genannt) bilden eine große Familie von Proteinen, die alle Variationen derselben GTP-bindenden globulären Domäne enthalten. Im Laufe der Evolution hat sich diese Domäne auch mit größeren Proteinen mit zusätzlichen Domänen verbunden, wodurch eine große Familie von GTP-bindenden Proteinen entstanden ist. Wir haben bisher gesehen, wie allosterische Proteine als Mikrochips (Cdk- und Src-Kinasen), als Assembly-Faktoren (EF-Tu) und als Generatoren von mechanischer Kraft und Bewegung (Motorproteine) fungieren können. Das heißt, Proteine, die an der Zellzykluskontrolle beteiligt sind, neigen dazu, ausgiebig miteinander zu interagieren, ebenso wie Proteine, die an der DNA-Synthese oder der DNA-Reparatur beteiligt sind, und so weiter.