Proteine – Motor des Lebens

Grafische Darstellung: Quartärstruktur (Bändermodell) von Alanin-Aminotransferase

Proteine sind nicht nur wichtige Nahrungsbestandteile, sondern für Lebewesen ebenso wichtig wie die Erbsubstanz. Nur durch die Proteinfunktionen und die Wechselwirkung mit der Erbsubstanz ist Leben möglich. Die Funktion der Proteine ist durch deren Struktur vorgegeben.

Zum besseren Verständnis stark vereinfacht

Leben braucht Proteine

In allen Lebewesen haben Proteine elementare Aufgaben, die für das Leben so wichtig sind, dass Proteine – ebenso wie die Erbsubstanz – nicht vom Leben zu trennen sind.

Über die Entstehung des Lebens gibt es nach wie vor nur Spekulationen. Es existieren 2 Theorien wie sich die ersten lebenden Zellen entwickelt haben könnten:

  • aus Proteinen (Stoffwechsel zuerst),
  • aus der Erbsubstanz (Vermehrung zuerst).

Am wahrscheinlichsten wird die zweite Theorie angesehen (RNA-Hypothese, RNA-Welt). RNA (Ribonukleinsäure) ist bei einer Größe von mehr als 30 Molekülen unter bestimmten Bedingungen (und wenn ausreichend Baumaterial zur Verfügung steht) in der Lage, sich selbst zu reproduzieren. Zudem kann RNA die Bildung von Proteinen katalysieren – also Proteinbildung fördern, ohne sich selbst chemisch zu verändern.

Die RNA-Stränge könnten in einfachen Membranen (z. B. aus Fetten) gegenüber der Umgebung abgetrennt worden sein. Da RNA in der Lage ist, DNA zu bilden, nimmt man an, dass sich im Laufe der Zeit aus diesen Vorläufern echte Zellen mit DNA und einem Stoffwechsel entwickelten. Die Theorie erscheint zwar plausibler als die Protein-Theorie, ist jedoch umstritten und erklärt nicht alle Details.

Die Erbsubstanz und die Proteine arbeiten in einer Zelle (in einem Lebewesen) eng zusammen und beeinflussen sich gegenseitig: Durch die Erbsubstanz werden die benötigten Proteine gebildet. Die Proteine führen ihre Aufgaben in den Zellen aus. Ohne die „Arbeitsproteine“ sind die steuernden Aufgaben der Erbsubstanz nicht möglich, ebenso wenig wie eine Verdopplung der Erbsubstanz (da die entsprechenden Bausteine fehlen). Andererseits wirken die Proteine auf die Funktion der Erbsubstanz, indem sie benötigte Abschnitte der Erbsubstanz aktivieren und wieder ausschalten.

Leben kann also nur existieren, wenn Erbsubstanz und Proteine gezielt zusammenarbeiten. Dazu muss die Erbsubstanz einen sinnvollen „Anweisungstext“ liefern und die richtigen Proteine an den richtigen Stellen im geeigneten Milieu „arbeiten“.

Grafische Darstellung: Zwischen Proteinen und anderen Stoffen existieren in einer Zelle zahlreiche Wechselwirkungen und Beeinflussungen.
Zwischen Proteinen und anderen Stoffen existieren in einer Zelle zahlreiche Wechselwirkungen und Beeinflussungen.

Wie sich dieses Zusammenspiel im Detail entwickelt hat, ist derzeit nicht bekannt.

Eine lebende Zelle hat unter Zufuhr von Energie und geeigneten Molekülen einen Stoffwechsel. Proteine sind maßgeblich an diesem Stoffwechsel beteiligt. Erwin Schrödinger definierte Leben daher als ein System, welches seiner Umwelt „Ordnung“ (Entrophie) entzieht – negative Entrophie – um selbst eine große Anzahl von Molekülen auf einem hohen Ordnungsniveau halten zu können. Neben dieser rein thermodynamischen (energetischen) Betrachtung existieren allerdings auch zahlreiche andere Definitionen für Leben.

In der Biologie werden Lebewesen vorwiegend durch ihre Eigenschaften definiert.

  • Lebewesen bestehen aus einer oder mehreren Zellen,
  • verändern sich,
  • enthalten die Makromoleküle Nucleinsäure, Proteine, Lipide und Kohlenhydrate,
  • entziehen der Umwelt Energie um biologische Aktivitäten durchzuführen,
  • wandeln Energieformen um (z. B. Sonnenlicht in chemische Energie),
  • können Stoffe aus der Umwelt in andere Stoffe umwandeln,
  • pflanzen sich fort (vermehren sich),
  • sind genetisch miteinander verwandt,
  • regulieren ihr inneres Milieu,
  • reagieren angemessen auf äußere Reize und
  • sind an die Umweltbedingungen angepasst.
  • Die Lebensvorgänge werden durch genetische Informationen gesteuert.

Aufgaben und Funktionen von Proteinen

Proteine sind sowohl in der einzelnen Zelle (Einzeller, Körperzelle) als auch im Körper von Mehrzellern die „Arbeiter“. In einer Zelle finden parallel auf engstem Raum zahlreiche verschiedene chemische Prozesse statt. Die Koordinierung und Durchführung dieser Reaktionen erfolgen durch die Proteine. Je Zelle gibt es rund 3.000 Proteine, die in die Stoffwechselaktivität der Zelle eingebunden sind. Proteine ermöglichen Reaktionen, die normalerweise unter den in einer Zelle vorhandenen Bedingungen (z. B. hinsichtlich der Temperatur) nicht stattfinden würden, transportieren Substanzen, geben der Zelle Struktur und vieles mehr. Im Körper von Mehrzellern haben Proteine weitere zusätzliche Funktionen.

Die Funktionen der Proteine in Zellen und Körper lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

  • Enzyme: beschleunigen als Katalysatoren biochemische Reaktionen (siehe unten).
  • Rezeptorproteine: nehmen Informationen aus der Umgebung auf und „verarbeiten“ sie (siehe unten).
  • Abwehr-, Immunproteine, z. B. Antikörper: erkennen fremde Strukturen im Körper und greifen sie an. Analoge Proteine sind bei Pflanzen vorhanden.
  • Regulatorische Proteine / Transkriptionsfaktoren: steuern Prozesse, wie z. B. Zeitpunkt, Art und Weise der Genexpression, also welche Genabschnitte wann abgelesen werden
  • Hormone: regulatorische Proteine: kontrollieren physiologische Vorgänge im Körper, wie z. B. Insulin.
  • Transportproteine: befördern Stoffe, Beispiel Hämoglobin (siehe unten): transportiert Sauerstoff.
  • Membranproteine: befördern Stoffe in / aus einer Zelle; geben Signale aus der Umwelt in die Zelle weiter; binden Stoffe von außen (entspricht den Funktionen von Transport- und Rezeptorproteinen) (siehe unten).
  • Motorproteine, kontraktile Proteine: ermöglichen Bewegungen, wie z. B. Muskelproteine.
  • Speicherproteine: dienen als Aminosäure-Depot.
  • Gerüst-, Strukturproteine: geben physikalische Stabilität, wie z. B. Kollagen.
  • Oxidationsschutz: „Radikalfänger“: binden durch Abgabe von Wasserstoff freie Sauerstoff-Ionen in Wasser (H2O), z. B. Glutathion.
  • Gifte / Toxine: dienen zur Abwehr, z. B. von (Fraß-)Feinden, wie Bienen- oder Schlangengift.
  • Histone: strukturgebend in den Chromosomen (Bildung von aneinandergereihten Nukleosomen, die in der Summe Chromatinfasern bilden)

Manche Antibiotika bestehen aus Proteinen, wie z. B. Penicillin, und können häufig den Giften / Toxinen zugeordnet werden: Menschen nutzen die Abwehrmechanismen der Zellen / Lebewesen, die diese Gifte zum Selbstschutz produzieren.

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Bauelemente bestimmen die Struktur

Die besonderen chemischen Eigenschaften der Proteine werden durch ihre chemische Struktur ermöglicht. Diese wird durch die verwendeten Proteinbausteine festgelegt, der Bauplan ist in der DNA codiert.

Kurzinformation: Chemische Bindungen

Chemische Bindungen entstehen dadurch, dass Atome sich die sie umgebenden Elektronen teilen. Die daraus resultierenden Bindungen sind relativ stabil (kovalente Bindung, Atombindung).
Bei diesen Bindungen kann ein Atom die Elektronen stärker vereinnahmen, als das andere. Dadurch entstehen unterschiedliche elektrische Ladungen innerhalb des Moleküls, die wiederum zu Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekülen führen. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, sodass die jeweiligen verschiedenen Molekülteil möglichst großen Abstand zueinander einnehmen. Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an und führen zu schwachen Bindungen zwischen unterschiedlichen Molekülen. Ein typisches Beispiel ist die Wasserstoffbrücken-Bindung.

Aminosäuren

Proteine bestehen aus Aminosäuren (AS). Diese setzen sich aus den Elementen Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und ggf. Schwefel (S) zusammen. Aminosäuren besitzen jeweils (mindestens) eine Aminogruppe (NH2) und eine Carbongruppe (COOH).

Grafische Darstellung: Aminosäuren bestehen aus einer Amino- und einer Carbongruppe, an die eine Seitenkette gebunden ist.
Aminosäuren bestehen aus einer Amino- und einer Carbongruppe, an die eine Seitenkette gebunden ist.

Die verschiedenen AS ergeben sich dadurch, dass weitere Elemente (Seitenketten) angebunden sind. Von den zahlreichen möglichen Aminosäuren werden in Lebewesen lediglich 20 bevorzugt in Proteinen verwendet (proteinogene Aminosäuren).

Selenocystein ist eine sehr seltene Aminosäure und wird daher häufig nicht mitgezählt. Sie tritt nicht als freie AS auf, ist aber z. B. in Glutathion-Peroxidase und Thyroxin-Deiodinase eingebaut. Hierbei handelt es sich um 2 Enzyme, die im Schilddrüsenstoffwechsel relevant sind.

Neben diesen AS gibt es noch viele weitere, die sich meist frei im Gewebe befinden, also nicht in Proteinen gebunden sind (nicht proteinogene AS). Hierbei handelt es sich oft um Stoffwechselzwischenprodukte. Beispiele hierfür sind:

  • β-Alanin: u. a. Bestandteil des Vitamins Pantothensäure / Proenzym A
  • γ-Aminobuttersäure (GABA): tritt in freier Form im Gehirn auf
  • Homocystein: Zwischenprodukte des Methioninstoffwechsels.

Die Seitenketten können am α-Kohlenstoffatom in verschiedenen Orientierungen angeordnet sein, die zueinander spiegelbildlich sind und nicht zur Deckung gebracht werden können (Chiralität). Dadurch ergeben sich die sogenannten L- bzw. D-Aminosäuren. In Lebewesen tritt ausschließlich die L-Form auf. Sie ist daher ein Nachweis für Lebensprozesse (zumindest in der Form, wie wir Leben kennen).

Während Pflanzen die für sie erforderlichen AS selbst herstellen können, sind Tiere darauf angewiesen, bestimmte AS mit der Nahrung aufzunehmen: die essentiellen AS. Diese können je nach Tierart verschieden sein. AS, die Tiere selbst herstellen können, werden als nicht-essentielle Aminosäuren bezeichnet. Semi-essentielle AS werden nur unter bestimmten Bedingungen (z. B. beim Wachstum) in größeren Mengen benötigt. Da der Körper die erforderlichen Mengen nicht selbst produzieren kann, müssen sie in diesen Phasen zugeführt werden.

Primärstruktur

Aminosäureketten entstehen durch Peptidbindungen. Hierbei werden durch kovalente Bindungen jeweils die COOH- (Carbon-)Gruppe einer AS mit der NH2– (Amino-)Gruppe der nächsten AS verknüpft.

Hinweis: Je nach Anzahl der verbundenen AS unterscheidet man Peptide und Proteine. Peptide haben rund 100 AS; Proteine mehr als 100. Im Folgenden wird nicht zwischen Peptiden und Proteinen unterschieden.

Die Reihenfolge der AS wird als Primärstruktur bezeichnet. Durch die Primärstruktur wird die weitere Struktur des Proteins festgelegt. Eine andere Reihenfolge, eine fehlende oder eine ausgetauschte AS kann die Struktur und die Funktion des Proteins beeinflussen.

Grafische Darstellung: Darstellung der Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren.
Darstellung der Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren.

Die Anzahl der möglichen verschiedenen Proteine, die aus den 20 AS gebildet werden können, ist nahezu unbegrenzt. Da die Reihenfolge der AS relevant ist, existieren bereits bei Dipeptiden (also der Verbindung von 2 AS) 400 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten.

Homologe Proteine haben sich evolutionär aus einem Ursprungs-Protein entwickelt. Oft haben sie eine ähnliche Funktion, z. B. Trypsin und Chymotrypsin. Besonders deutlich wird die ähnliche Funktion bei Hämoglobin (siehe unten): zur Sauerstoffbindung werden jeweils ähnlich gebaute α- und β-Ketten (Globuline) verwendet. Beim Menschen existieren zudem zwei ähnlich gebaute Hämoglobin-Varianten: fetales und normales Hämoglobin. Myoglobin ist ähnlich gebaut wie die Hämoglobin-Untereinheiten und hat ähnliche Aufgaben: es dient dem Sauerstofftransport in Muskeln.

Bei Hämoglobin sind hunderte Mutationen an einzelnen AS bekannt. Lediglich drei Mutationen führen zu klinischen Symptomen, von denen die bekannteste die Sichelzellenanämie ist. Hierbei ist lediglich eine AS ausgetauscht (6-te AS im β-Globulin die: Valin statt Glutaminsäure). Aufgrund der geänderten Ladungen ist das β-Globulin verformt und nicht mehr in der Lage, ausreichend Sauerstoff aufzunehmen. Durch die Hämoglobin-Variante ergibt sich auch die Sichelzellenform der Erythrozyten.

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Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur entsteht durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den C=O- und den N-H- Gruppen der Aminosäuren. Die Wasserstoffbrücken stabilisieren das Protein.

Es treten zwei Strukturen auf:

  • α-Helix: Ausbildung von Wasserstoffbrücken innerhalb der AS-Kette. Dadurch ergibt sich eine schraubig geformte AS-Kette, bei der die Seitenketten nach außen ragen.
  • β-Faltblattstruktur: Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen verschiedenen AS-Kette, die eng nebeneinander liegen. Dadurch ergibt sich eine Struktur ähnlich einem mehrfach gefalteten Blatt.
Grafische Darstellung: Alpha-Helix einer Aminosäure Kette: Die Helix wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert.
Alpha-Helix einer Aminosäure Kette: Die Helix wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert.

Welche Struktur gebildet wird, ist von der AS-Reihenfolge abhängig. Manche AS bilden bevorzugt eine Helix (Glu, Ala, Leu, Met), andere bevorzugt Faltblätter (Tyr, Val, Ile).

Ein Protein kann beide Strukturen enthalten, als reine α-Helix oder als reines β-Faltblatt vorliegen.

Beispiele:

  • reine α-Helix: α-Keratin der Haare: Aufgrund der Helix-Struktur sehr dehnbar. Feuchte Haare können auf die doppelte Länge gezogen werden.
  • reines β-Faltblatt: β-Keratin der Vogelfedern: weniger stark dehnbar.

Keratin ist ein Sammelbegriff für verschiedene Faserproteine.

Prione

Wie wichtig die Sekundärstruktur ist, zeigt sich bei Prionen, Teilstücke von Proteinen. Im menschlichen Hirn liegen sie in Membranproteinen (PrPc) als α-Helix vor und sind unschädlich. Liegen sie jedoch als β-Faltblatt vor (PrPSc), sind sie krankheitserregend (BSE, Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, Scrapie). Sie sind dann in der Lage, die α-Helix normaler Proteine ebenfalls in β-Faltblätter umzuwandeln und führen so zu einer Ausweitung „missgebildeter“ Proteine. Die betroffenen Zellen sterben ab und bilden Plaques im Gehirn. PrPSc ist sehr hitzestabil und kann über die Nahrung ins Gehirn gelangen. Die Infektion erfolgt somit durch DNA-unabhängige Strukturen, also nicht durch Lebewesen.

Tertiärstruktur

Die Tertiärstruktur ergibt sich durch die spezifische Faltung des Proteins, die durch die einzelnen Abschnitte aus Helix und / oder Faltblättern vorgegeben ist. Aus einem langen AS-Faden ergibt sich so ein „Knäul“. Ein Protein mit 150 AS hätte ausgestreckt eine Länge von 50 nm. Durch die Faltungen wird das Proteinmolekül auf einen Durchmesser von 4 nm reduziert, also weniger als 1/10 der Länge.

Für die spezifische Faltung sind verschiedene Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten verantwortlich. Beispiele für Wechselwirkungen:

  • kovalente Disulfidbrücken unter Abspaltung von 2 Wasserstoffatomen (typisch für Cystein, Stabilisierung des Proteins).
  • Wasserstoffbrücken zwischen den Seitenketten: Können sehr zahlreich sein und stabilisieren ebenfalls das Protein.
  • Ionenbindungen zwischen positiven und negativen Seitenketten.
  • elektrostatische Wechselwirkungen: Hydrophile Seitenketten sind im wässrigen Milieu der Zelle nach außen gerichtet, hydrophobe Seitenketten versuchen ins Innere des Proteins zu gelangen.
Grafische Darstellung: Quartärstruktur (Bändermodell) von Alanin-Aminotransferase
Quartärstruktur (Bändermodell) von Alanin-Aminotransferase (Quelle: pixabay, verändert)

Denaturierung / Renaturierung

Unter Denaturierung wird die Veränderung der Struktureigenschaften eines Proteins verstanden. Das Protein verliert dadurch in der Regel seine Funktion. Ursachen für Denaturierung können Hitze, Säuren, Laugen, Lösemittel oder ähnliches sein.

Eine Renaturierung – also Wiederherstellung der geordneten Struktur – ist unter bestimmten Bedingungen möglich, da die Strukturbildung durch die Reihenfolge der AS vorgegeben ist. Treten jedoch AS aus dem Inneren nach außen oder werden äußere AS nach Innen verlagert, ist eine Renaturierung nicht mehr möglich. Die „natürliche“ Struktur kann also nur unter bestimmten Bedingungen realisiert werden.

Chaperone

Nach einer Denaturierung ist die Faltung der Proteine ggf. anders, als im ursprünglichen Protein. Bei der Proteinbildung (Proteinsynthese) können die Umgebungsbedingungen, wie z. B. erhöhte Temperatur oder Bindung von ungeeigneten Molekülen, zu falschen Faltungen führen, die die Funktion des Proteins stören oder verhindern.

In eukaryontischen Zellen (Zellen mit Zellkern) gibt es daher spezielle Proteine, die verhindern, dass falsch gefaltete Proteine entstehen: die Chaperone (Hitzeschockproteine, HSP). Der Name „Hitzeschockproteine“ ist historisch entstanden: Chaperone wurden nach Einwirkung von Hitze auf Zellen entdeckt. Sie treten zwar vermehrt nach Hitzeeinwirkung auf, sind aber auch im normalen Zellstoffwechsel vorhanden. Chaperone bilden zur Synthese von Proteinen einen geschützten Raum und verhindern so z. B. den Kontakt mit falschen Molekülen. Zum Teil wirken sie auch der Denaturierung durch Erhitzung entgegen.

Grafische Darstellung: Chaperone ermöglichen die korrekte Faltung innerhalb eines geschützten Raums.
Chaperone ermöglichen die korrekte Faltung innerhalb eines geschützten Raums. (Nach [3])

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Quartärstruktur

Die Quartärstruktur entsteht, wenn sich mehrere Proteine (Untereinheiten) um einen zentralen Punkt anordnen. Meist ist die Anordnung symmetrisch.

Die Tendenz zur Zusammenlagerung ist bereits in der Primärstruktur festgelegt: Unter den richtigen Bedingungen erfolgt der Zusammenschluss dann spontan (self assembly, Selbstassemblierung).

Die zusammengelagerten Einheiten beeinflussen sich gegenseitig: Kooperativität. Bei positiver Kooperativität wird die Bindung zu kleineren Molekülen fester, bei negativer Kooperativität geringer.

Hämoglobin

Ein typisches Beispiel für die Zusammenlagerung mehrerer Proteine ist Hämoglobin, das verantwortlich ist für den Sauerstofftransport im Körper.

Hämoglobin besteht aus 4 Untereinheiten, die jeweils eine Häm-Gruppe (Zentralatom: Eisen) enthalten. Die Häm-Gruppe nimmt Sauerstoff auf und gibt sie im Körper ab.

Jeweils 2 dieser Untereinheiten sind identisch:

  • α-Einheit: 141 AS
  • β-Einheit: 146 AS.

Der Sauerstoff wird zunächst an die α-Einheiten gebunden. Dadurch verändert sich die räumliche Struktur der α-Einheiten und die Sauerstoffbindungskapazität der β-Einheit erhöht sich. Diese binden nun ebenfalls Sauerstoff. Wenn der Sauerstoff ins Körpergewebe abgegeben wurde, wird die ursprüngliche räumliche Struktur wieder eingenommen und es kann wieder Sauerstoff gebunden werden.

Grafische Darstellung: Die 4 Untereinheiten arbeiten zusammen: Die Veränderung der Alpha-Globuline durch Anbindung von Sauerstoff ermöglicht die Anbindung von Sauerstoff in den Beta-Globulinen
Die 4 Untereinheiten arbeiten zusammen: Die Veränderung der Alpha-Globuline durch Anbindung von Sauerstoff ermöglicht die Anbindung von Sauerstoff in den Beta-Globulinen

Struktur bestimmt die Funktion

Durch die spezifische Struktur der Proteine werden die zahlreichen Funktionen der Proteine ermöglicht.

Schloss-Schlüssel-Prinzip

Die räumliche Struktur der Proteine stellt die gezielte Auswahl der richtigen Reaktionspartner sicher: Durch die Form bestimmter Proteinbereiche können dort nur spezielle Moleküle – meist nur ein bestimmtes Molekül – gebunden werden. Diese Funktionsweise wird als Schloss-Schlüssel-Prinzip bezeichnet und ist für viele Funktionen der Proteine wesentlich.

Die Funktionsweise wird jedoch besser durch den Begriff „induzierte Passform“ beschrieben: Substrat und Enzym werden hierbei mit einer Hand (Substrat = Reaktionspartner) und einem passenden Handschuh (Protein = Enzym, Rezeptor… ) verglichen, da das Substrat das Protein zur funktionalen Form verändert.

Beispiel Enzyme

Enzyme sind Proteine, die eine chemische Reaktion ermöglichen und beschleunigen, die unter den gegebenen Bedingungen (Druck, Temperatur, Konzentration der Reaktionspartner etc.) normalerweise nicht oder nur sehr langsam stattfinden würde. Die Enzyme werden dabei nicht verbraucht, sondern stehen nach Abschluss der Reaktion wieder zur Verfügung (Katalysator).

Das Enzym GOD (Glucose-Oxidase) setzt z. B. pro Sekunde 900 Sauerstoff- und Glucose-Moleküle um, das entspricht rund einer Reaktion pro Millisekunde.

Enzyme haben eine bestimmte Reaktionsnische (Schloss = Bindungsstelle, aktives Zentrum) für eine bestimmte Substanz (Schlüssel = Substrat). Durch die geometrische Struktur und die gegenseitigen Anziehungs- und Abstoßungskräfte innerhalb dieser Reaktionsnische passt meist nur eine definierte Substanz in diese Nische. Proteinasen (Enzyme, die Proteine spalten), sind dagegen nicht auf ein bestimmtes Protein spezialisiert, sondern auf bestimmte Strukturmerkmale der Proteine. Trypsin, ein Verdauungsenzym, spaltet z. B. Proteine nach den Aminsäuren Lysin, Arginin und modifiziertem Cystein.

Nach Einlagerung des Substrates verändert sich die Reaktionsnische (induzierte Passform). Durch Wechselwirkungen zwischen der Bindungsstelle und dem Substrat wird die spezifische Enzymreaktion möglich: Das Substrat wird entweder an einer bestimmten Stelle gespalten oder mit einem anderen Molekül verbunden. Aufgrund der nun geänderten Wechselwirkungen zwischen Enzym und Produkt wird das Produkt aus der Nische freigesetzt und verlässt das Enzym. Das Enzym steht für die nächste Reaktion zur Verfügung.

Für die katalysierende Wirkung der Enzyme sind 3 Faktoren maßgebend:

  • Orientierungs- und Nachbarschaftseffekt: Im aktiven Zentrum befinden sich oft hydrophobe Aminosäuren und bilden eine Nische, die mit unpolaren (organischen) Lösungsmittel vergleichbar ist. In dieser Nische sind die wenigen polaren Seitengruppen der AS superreaktiv. Die Moleküle, die durch ein Enzym z. B. verbunden werden sollen, werden zudem im aktiven Zentrum in unmittelbare Nachbarschaft und in die richtige Orientierung gebracht.
  • „Circe“-Effekt: Durch die elektrischen Ladungen werden die Substrate aktiv in die Nische gezogen. Dadurch wird der Substratdurchsatz erhöht.
  • Affinität zum Zwischenprodukt: Enzyme binden den Übergangszustand der katalysierten Reaktion mit höherer Affinität, als das Substrat (die Substrate) oder das Endprodukt. Dadurch wird die Freisetzung des Endproduktes gefördert.
Grafische Darstellung: Das aktive Zentrum wirkt auf das Substrat ein.
Das aktive Zentrum wirkt auf das Substrat ein. (Nach [2])
Animation Das aktive Zentrum eines Enzyms beeinflusst das Substrat. Verschiedene Wechselwirkungen zwischen Substrat und Enzym.
Animation: Das aktive Zentrum eines Enzyms beeinflusst das Substrat. (Nach [2])

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Beispiel Rezeptoren und Antikörper

Rezeptoren haben zahlreiche Zugangskontroll- und Auslösefunktionen in den Zellen und im Körper.

Die Zellwände sind mit Rezeptoren besetzt, die aus Proteinen bestehen. An diese Rezeptoren können nach dem Schloss-Schlüssel-Prinzip geeignete Substanzen anbinden.

Beispiele:

  • Damit Hormone wirken können, müssen sie an „ihre“ Rezeptoren an den Zielorganen (-zellen) andocken.
  • Das Immunsystem erkennt fremde Zellen durch ihre Rezeptoren auf der Zellwand. Sind die Rezeptoren nicht bekannt, werden die Zellen als fremd eingestuft und das Immunsystem beginnt sie zu bekämpfen.
    Körpereigene Zellen und im Körper tolerierte fremde Zellen (z. B. Bakterien) werden ebenfalls an ihren Rezeptoren erkannt und von Angriffen des Immunsystems verschont.

Membranproteine

Eine Zellwand besteht aus einer Lipid-Doppelschicht, die verschiedene weitere Moleküle enthält, u. a. Proteine.

Die Proteine können die Zellwand durchdringen (integrale Membranproteine, Transmembranproteine) oder auf der Zellwand angelagert sein (periphere Membranproteine).

Transmembranproteine haben zahlreiche Funktionen, wie z. B. Stofftransport, Rezeptorwirkung oder Energieübertragung. Sie können als α-Helix oder als β-Faltblatt vorliegen. In der Zellwand sind sie so angeordnet, dass die äußeren Flächen unpolar sind und mit der Lipidmembran in Wechselwirkung stehen.

Man unterscheidet Kanalproteine und Transportproteine. Beide Membranproteine ermöglichen lediglich eine erleichterte Diffusion, also den Durchgang von Substanzen in Richtung des Konzentrationsgefälles. Die „Zugangskontrolle“, also die Auswahl der richtigen Substanz, erfolgt durch die Struktur der Membranproteine (Schloss-Schlüssel-Prinzip).

Viele Kanalproteine bestehen aus β-Faltblättern, die in Form eines hohlen Zylinders angeordnet sind. Der innere Hohlraum ist stark hydrophil und mit Wasser gefüllt. Durch diese Form wird der Transport hydrophiler Moleküle in und aus der Zelle möglich. Die meisten Kanäle lassen sich über ein Signalmolekül „öffnen“ und „schließen“. Im geöffneten Zustand können pro Sekunde Millionen von Substanzen das Protein passieren.

Ionenkanäle sind spezielle Kanalproteine die dem Transport bestimmter Ionen dienen.

Beispiel: Ionenkanal für Kalium, Sperrung für Natrium

Kalium ist etwas größer als Natrium. In wässriger Lösung liegen beide als Ionen vor und sind von einer dünnen Schicht Wassermolekülen (Hydrathülle) umgeben.

An der Oberfläche des Membranproteins befindet sich in einer Nische ein polares Sauerstoffatom. Die Ionen werden mit ihren Wasserhüllen vom Sauerstoff angezogen.

  • Das Kalium-Ion kann sich in der Nische am Membranprotein so positionieren, dass es dem Sauerstoff-Atom sehr nahekommt und seine Wasserhülle abgibt. Dadurch kann es den Kanal passieren.
  • Für das kleinere Natrium-Ion ist die Nische am Sauerstoff-Atom jedoch zu groß. Es kommt dem Sauerstoff nicht nahe genug und gibt seine Wasserhülle nicht ab. Es kann den Kanal nicht passieren.

Das Öffnen und Schließen des Kanals erfolgt durch die Wechselwirkung zwischen Arginin im Membranprotein und der Zellwand.

Transportproteine (Carrier-Proteine) ermöglichen ebenfalls den Durchgang von Substanzen. Im Gegensatz zum Durchgang bei Ionenkanälen, binden die Substanzen an die Membranproteine und werden so von diesen ein- (bzw. aus-)geschleust.

Der aktive Transport ermöglicht den Durchgang von Substanzen auch gegen ein Konzentrationsgefälle. Der Transport erfolgt ebenfalls durch Proteine, die die Zellwand durchdringen und benötigt Energie.

Man unterscheidet 3 verschiedene Typen, die aus verschiedenen Proteinen gebildet werden:

  • Uniport: Befördert eine bestimmte Substanz entgegen des Konzentrationsgefälles. Beispiel: Calcium-Transport.
  • Symport: Befördert zwei verschiedene Substanzen gemeinsam in die gleiche Richtung. Beispiel: Aminosäuren werden aus dem Darm zusammen mit Natrium aufgenommen.
  • Antiport: Befördert zwei verschiedene Substanzen in die entgegengesetzte Richtung. Beispiel: Kalium-Natrium-Pumpe.

Beispiel: Kalium-Natrium-Pumpe

Die Zugangskontrolle erfolgt wiederum nach dem Schloss-Schlüssel-Prinzip. Als Energieträger dient ATP (Adenosintriphosphat): Durch Abspaltung von Phosphat wird Energie frei und ATP in ADP (Adenosindiphosphat) umgesetzt. Das Membranprotein besteht aus jeweils zwei α- und β-Untereinheiten. Der Transport erfolgt in mehreren Schritten:

  1. Bindung von Natrium an das Membranprotein.
  2. ATP wird zu ADP umgesetzt (Freisetzung der benötigten Energie), das abgespaltene Phosphat bindet am α-Protein (Phosphorylierung des Proteins) und verändert dessen räumliche Struktur.
  3. Kalium bindet außen am β-Protein.
  4. Durch Abspaltung des Phosphats aus dem Protein, verändert dieses wieder seine räumliche Struktur.
  5. Natrium wird nach außen abgegeben, Kalium nach innen. Ein neues (energieaufwändig produziertes) ATP-Molekül bindet wieder am Membranprotein.
Grafische Darstellung: Die Kalium-Natrium-Pumpe ist ein aktiver Stofftransport.
Die Kalium-Natrium-Pumpe ist ein aktiver Stofftransport. (Nach [1])

Grafikvorlagen:

  1. Dettmer U. et all: Intensivkurs Biochemie. 1. Auflage, Elsevier GmbH / Urban & Fischer. München Jena, 2005.
  2. Renneberg R: Bioanalytik für Einsteiger. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 2009.
  3. Sadava D et all.:  Purves Biologie. 9. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, 2011.

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