Protein

Grundlagen und Bildung von Proteinen

Proteine, umgangssprachlich Eiweiße, sind biologische Makromoleküle aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen zu Ketten verknüpft sind. Sie kommen in jeder Zelle vor und machen meist mehr als die Hälfte ihres Trockengewichts aus. Die Gesamtheit aller Proteine eines Lebewesens, Gewebes, einer Zelle oder eines Zellkompartiments zu genau bestimmten Bedingungen und einem Zeitpunkt heißt Proteom.

Beim Menschen sind 21 proteinogene Aminosäuren bekannt: die 20 lange bekannten sowie Selenocystein. Acht Aminosäuren sind essenziell; der Körper kann sie nicht selbst bilden und muss sie mit der Nahrung aufnehmen. Ketten unter etwa 100 Aminosäuren heißen Peptide, längere Ketten Proteine. Die Größe wird meist in Kilo-Dalton (kDa) angegeben. Titin ist mit etwa 3600 kDa das größte bekannte menschliche Protein; es enthält über 30.000 Aminosäuren und 320 Proteindomänen.

Die Aminosäuresequenz ist in der DNA codiert. Ribosomen setzen anhand des genetischen Codes eine Polypeptidkette zusammen: Jedes Codon bestimmt eine Aminosäure, und die DNA legt deren Reihenfolge fest. Erst die Faltung im wässrigen Zellmilieu erzeugt die dreidimensionale, funktionelle Form. Das haploide menschliche Genom besitzt rund 20.350 proteincodierende Gene, obwohl nur etwa 1,5 % der genomischen DNA Proteine codiert. Durch alternatives Splicing und weitere Bildungswege können aus Genen mehrere unterschiedliche Proteine entstehen; die Ein-Gen-ein-Enzym- beziehungsweise Ein-Gen-eine-mRNA-ein-Protein-Hypothese gilt daher für höhere Organismen nicht mehr als haltbar.

Struktur, Faltung und Klassen

Die räumliche Struktur bestimmt die Wirkungsweise eines Proteins. Kleine Peptide heißen Oligopeptide; Dipeptide bestehen aus zwei, Tripeptide aus drei und Tetrapeptide aus vier Aminosäuren. Polypeptide enthalten mehr als zehn Aminosäuren. Die meisten Proteine besitzen 100 bis 300 Aminosäuren, selten mehr als tausend. Oligopeptide können beispielsweise Hormone oder Neurotransmitter sein; für eine Enzymfunktion sind meist mehr als 50 Aminosäuren erforderlich.

Man unterscheidet vier Strukturebenen: Die Primärstruktur ist die Aminosäuresequenz vom N- zum C-Terminus. Die Sekundärstruktur umfasst häufige räumliche Motive wie α-Helix, β-Faltblatt, β-Schleife, β-Helix und Random-Coil-Strukturen. Sie entstehen vor allem durch Wasserstoffbrücken zwischen Peptidbindungen des Polypeptid-Rückgrats. Die Tertiärstruktur ist die gesamte räumliche Anordnung einer Kette. Sie wird durch Wechselwirkungen der Seitenketten stabilisiert, etwa durch Disulfidbrücken zwischen zwei Cysteinresten, Wasserstoffbrücken sowie hydrophobe, ionische und Van-der-Waals-Kräfte. Die Quartärstruktur entsteht, wenn sich mehrere Untereinheiten zu einem funktionsfähigen Proteinkomplex verbinden. Antikörper bestehen beispielsweise aus zwei identischen schweren und zwei identischen leichten Proteinen, die über insgesamt vier Disulfidbrücken verbunden sind. Überstrukturen bilden etwa Kollagen in Kollagenfibrillen sowie Aktin, Myosin und Titin im Sarkomer.

Eine festgelegte Primärstruktur kann unter physiologischen Bedingungen zu einer bestimmten Tertiärstruktur falten. Dafür sind unter anderem Wasser, ein enger pH-Bereich und geeignete Temperaturen nötig. Komplexe Proteine brauchen oft Chaperone: Diese Faltungshelfer unterstützen neu gebildete, denaturierte oder beschädigte Ketten unter Verbrauch chemischer Energie bei der funktionellen Faltung.

Globuläre Proteine sind ungefähr kugel- oder birnenförmig und meist gut in Wasser oder Salzlösungen löslich, etwa Ov-Albumin aus Eiklar. Fibrilläre Proteine sind faden- oder faserförmig, meist unlöslich und dienen häufig als Stütz- und Gerüstsubstanzen, etwa Keratine, Kollagen, Aktin und Myosin. Die Proteinoberfläche ist für die Funktion besonders wichtig: Das Rückgrat gibt den groben dreidimensionalen Aufbau vor, die herausragenden Seitenketten bestimmen jedoch Oberflächenkonturen und biochemische Eigenschaften. Myoglobin war das erste Protein, dessen räumliche Struktur durch Kristallstrukturanalyse aufgeklärt wurde. Es speichert Sauerstoff in Muskelzellen; seine über 150 Aminosäuren lange, α-helixreiche Kette bindet eine Hämgruppe, an deren Eisenatom O₂ anlagern kann.

Nachweis, Veränderungen und biologische Aufgaben

Proteine werden aus biologischem Material gereinigt und angereichert, um sie biochemisch zu identifizieren und zu charakterisieren. Besonders rekombinante Proteine müssen für Diagnostik oder Therapie reproduzierbar und sorgfältig gereinigt werden. Zur Mengenbestimmung dienen unter anderem UV-Absorption, Xanthoprotein-, Millon-, Ninhydrin- und Biuretreaktion sowie Bradford-, Lowry- und BCA-Test, Folin-Reagenz und Aminosäureanalyse. Diese Verfahren sind keine Absolutmessungen und können etwa durch störende Substanzen oder das verwendete Standardprotein verfälscht werden. Die Identität kann auch indirekt über Funktion, etwa Enzymkinetik, oder über immunologische Eigenschaften wie im Western Blot nachgewiesen werden.

Bei der Denaturierung ändern sich Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur, nicht aber die Primärstruktur. Auslöser können Säuren, Salze, organische Lösungsmittel, hohe oder tiefe Temperaturen sowie Druck sein. Der Vorgang ist meist nicht umkehrbar; die Wiederherstellung heißt Renaturierung. Beim Kochen wird Eiklar fest, weil seine Proteine denaturieren. Auch sehr hohes Fieber kann gefährlich sein: Einige Proteine roter Blutkörperchen denaturieren bereits bei 42 °C. Proteolyse ist die hydrolytische Spaltung von Proteinketten in Peptide und Aminosäuren; pepsinhaltige Spaltprodukte heißen Pepton, trypsinhaltige Trypton. Reaktive Sauerstoffspezies können Proteine oxidieren, wodurch ihre Funktion verloren gehen und degenerierte Proteine sich in Zellen ansammeln können.

Proteine dienen unter anderem der Abwehr, dem Beutefang, der Körperstruktur, Bewegung, Katalyse, dem Transport und der Signalübertragung. Antikörper wehren Infektionen ab, Toxine können Beutetiere lähmen. Kollagene können bis zu einem Drittel des gesamten Körperproteins ausmachen und sind Strukturproteine von Haut, Bindegewebe und Knochen. Aktin und Myosin ermöglichen Muskelkontraktion; Keratine bilden etwa Haare, Nägel, Hörner und Federn. Enzyme ermöglichen und steuern spezifische biochemische Reaktionen. Ionenkanäle regulieren Ionenkonzentration, osmotische Homöostase und die Erregbarkeit von Nerven und Muskeln. Hämoglobin transportiert Sauerstoff, Transferrin Eisen. Membranrezeptoren erkennen Stoffe außerhalb der Zelle und lösen über eine Konformationsänderung Signale im Zellinnern aus. Proteine wirken außerdem als Adapterproteine, Hormone, Blutgerinnungsfaktoren und Reservestoffe im Hungerzustand.

Mutationen können die Funktion eines Proteins verlieren lassen, steigern, unverändert lassen oder vorteilhaft verändern. Funktionsverluste liegen vielen Erbkrankheiten zugrunde; eine Mutation ohne Funktionsänderung heißt stille Mutation.

Proteine in der Ernährung

Menschen benötigen Nahrungsprotein für Aufbau, Erhalt und Erneuerung von Körperzellen sowie besonders bei Wundheilung und Krankheiten. Im ersten Lebensmonat werden etwa 2,5 g Protein pro Kilogramm Körpergewicht (g/kg KG) täglich genannt, gegen Ende des ersten Lebensjahrs etwa 1,3 g/kg KG. Ab dem zweiten Lebensjahr liegen die Referenzwerte der Deutschen Gesellschaft für Ernährung je nach Alter zwischen 1,0 und 0,8 g/kg KG, bezogen auf Normalgewicht: 1,0 für Kleinkinder, 0,9 für ältere Kinder und Jugendliche, 0,8 für jüngere Erwachsene und geschätzt 1,0 für Menschen über 65 Jahre. Für Schwangere werden 1,0, für Stillende 1,2 g/kg KG genannt. Eine Übersichtsarbeit von 2010, die in einem FAO-Bericht von 2013 berücksichtigt wurde, schätzt für durchschnittliche Erwachsene mit 0,91–1,2 g/kg KG deutlich höhere Werte. Laut DGE steigt der Bedarf bei körperlicher Aktivität nicht. Langzeitstudien widerlegten mehrfach eine Nierenschädigung durch erhöhten Eiweißkonsum.

Nahrungsprotein wird in Magen und Darm verdaut, in Aminosäuren zerlegt, über die Darmschleimhaut aufgenommen und über die Pfortader zur Leber geleitet. Entscheidend ist, dass die Nahrung genug von jeder essenziellen Aminosäure liefert. Als proteinreiche Lebensmittel nennt der Artikel Eier, Fisch, Fleisch, Hülsenfrüchte, Milchprodukte, Nüsse und Raps. Soja und Lupinen enthalten etwa 40 %, Bohnen, Linsen, Erbsen und Kichererbsen etwa 20 % bis 25 % Protein. Quinoa enthält etwa 14 g je 100 g und alle 9 essenziellen Aminosäuren.

Andauernder Proteinmangel kann Marasmus, Kwashiorkor oder beides und schließlich den Tod verursachen. Kwashiorkor betrifft meist unterernährte Kinder und kann an einem Hungerbauch durch Wassereinlagerung erkennbar sein. Weitere mögliche Symptome sind verminderte Haarpigmentierung, Wachstumsverzögerung, Lebervergrößerung, Muskelschwäche und Apathie. Fehlendes Albumin kann den kolloidosmotischen Druck des Blutes senken; dann wird Flüssigkeit ins Gewebe gedrückt und es entstehen Ödeme. In Industrieländern ist Proteinmangel selten; die durchschnittliche deutsche Mischkost enthält laut Artikel 100 g Eiweiß täglich.

Die frühere Annahme, pro Mahlzeit könnten nur 20–25 g Protein effektiv verwertet werden, wird durch eine neuere Studie nicht gestützt: Die anabole Reaktion sei pro Mahlzeit nicht nach oben begrenzt. Bei mehr Protein dauert Aufnahme und Erhöhung des Aminosäurespiegels im Blut länger; überschüssiges Protein werde dabei nicht verbrannt. Maßgeblich sei die Gesamtmenge. PDCAAS bewertet Proteinqualität nach Aminosäurezusammensetzung und Verdaulichkeit. DIAAS misst die echte ileale Verdaulichkeit, wird grundsätzlich nicht gekürzt und kann über 100 % liegen; bei Betrachtung der gesamten Proteinzufuhr wird er auf 100 % gekürzt. Die Bewertung pflanzlicher und tierischer Proteinquellen bleibt laut Artikel schwierig und umstritten. Studien von 2016 und 2021 berichten Zusammenhänge zwischen pflanzlichen Proteinquellen und geringerer Mortalität; verarbeitetes rotes Fleisch und Eier waren mit höherer Gesamtmortalität verbunden. Eine Studie von 2023 bewertet die Evidenz für ein geringeres Herz-Kreislauf-Risiko bei bevorzugt pflanzlichem Eiweiß jedoch als gering. Eine Überversorgung kann zu einer Vergiftung führen.

Technische und wirtschaftliche Nutzung

In Deutschland werden als nachwachsende Rohstoffe für die stoffliche Nutzung im Regelfall etwa 55.000 t Proteine pro Jahr verwendet. Pflanzliche Proteine dienen überwiegend der Futtermittelindustrie, beispielsweise Pressrückstände aus Raps und Soja oder Nebenprodukte der Stärkegewinnung. Etwa 1.000 t Weizenproteine pro Jahr werden in der chemischen Industrie eingesetzt.

Gelatine ist ein wichtiges tierisches Industrieprotein. In Deutschland werden jährlich etwa 32.000 t Gelatine in Speisequalität hergestellt, in Europa 120.000 t: 70 % aus Schweineschwarten, 18 % aus Knochen, 10 % aus Rinderspalt und 2 % aus Sonstigem. In Deutschland werden etwa 90.000 t verwendet, zwei Drittel im Ernährungsbereich; etwa 15.000 t gehen in chemische und pharmazeutische Anwendungen, etwa für Kapseln, Zäpfchen, blutstillende Schwämmchen, Blutplasmaersatz sowie fotoempfindliche Schichten. Casein aus Milcheiweiß wird etwa für Glanzpapier, Streichfarben und Etikettenkleber eingesetzt; der Jahresverbrauch in Deutschland beträgt etwa 8.000 bis 10.000 t. Hefeextrakte machen etwa 6.000 bis 7.000 t aus und dienen unter anderem als Nährlösung für Mikroorganismen.

Pflanzliche Proteine können aus Soja, Erbsen, Lupinen, Raps und Sonnenblumenkernen gewonnen werden. Nach Zerkleinerung und Entfettung trennt man proteinreiche Lösung und proteinarme Feststoffe mittels Zentrifugen. Durch Einstellen des pH-Werts auf den isoelektrischen Punkt werden Proteinpartikel ausgefällt, abgetrennt und gewaschen. Trockenextrusion erzeugt unter Wärme, Druck und Hilfsstoffen TVP (Texturized Vegetable Protein) mit wenig Wasser; es kann als Vorprodukt für Fleischersatz dienen. Nassextrusion liefert feuchtere HMMA (High Moistured Meat Analogues).

Rekombinante Proteine mit festgelegter Sequenz werden durch Peptidsynthese oder durch Überexpression in Organismen und anschließende Reinigung hergestellt. Protein-Engineering verändert Eigenschaften gezielt durch Proteindesign oder zufällig durch gerichtete Evolution. Anwendungen sind Biopharmazeutika sowie Enzyme wie Proteasen, Lipasen, Amylasen, Cellulasen und Lactasen. Verbesserte Massenspektrometrie ermöglicht zudem die Analyse von Proteinen aus archäologischen und paläontologischen Funden; aus rekonstruierten fossilen Proteinen kann auf codierende Gene und die aDNA geschlossen werden.