Die Bedeutung der Proteine

Proteine sind die Grundsubstanz jeder Zelle, und sie machen ca. 20 % der Körpermasse aus. Diese Makromoleküle sind aus Aminosäuren aufgebaut und bestehen hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und manchmal auch Schwefel. Ein typisches Protein ist z. B. aus 300 oder mehr Aminosäuren aufgebaut, dabei besitzt jedes Protein eine einzigartige Zahl und Abfolge von Aminosäuren. Wie die Buchstaben des Alphabets können Aminosäuren auf Millionen unterschiedliche Weisen angeordnet werden, um neue Proteine bzw. eine ganze „Proteinsprache“ mit allen ihren Informationen zu bilden. Je nach der Anzahl und Abfolge der Aminosäuren faltet sich das entstandene Protein in eine bestimmte Gestalt, und diese Gestalt ist wichtig, weil sie die Funktion des Proteins (z. B. im Muskel, als Enzym oder sogar Hormon) bestimmt. Jede Spezies, einschließlich des Menschen, hat ihre arteigenen Proteine. Die einfachste Aminosäure, das Glycin, konnte nicht nur auf der Erde, sondern sogar auf Kometen und Meteoriten sowie in Gaswolken im interstellaren Raum nachgewiesen werden.

Sogenannte essentielle Aminosäuren kann der Organismus nicht selber herstellen; sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Deshalb ist es für die Gesundheit lebenswichtig, mit der täglichen Ernährung proteinreiche Lebensmittel zu sich zu nehmen. Proteine sind nicht nur etwas für Hochleistungssportler, sondern als Bausteine des Lebens sind sie unentbehrlich für das Wachstum, sie sind Bestandteil von Enzymen und Hormonen, sie bilden die Grundstruktur von Muskeln, Knochen, Haut, Haaren und Nägeln, oder wirken als Transportprotein oder als Antikörper bei der Immunantwort. Wie man seit der immer weiteren Entschlüsselung der Zellprozesse, des Energiestoffwechsels, der Proteinbiosynthese weiß, können Körperzellen ohne Proteine nicht funktionieren.

Die Bauteile der Proteine, die Aminosäuren, kommen in der Natur in hundertfacher Struktur vor, für den Menschen sind allerdings nur 20 davon von Bedeutung, sie werden auch proteinogene Aminosäuren genannt. Dabei unterteilt man sie in essentielle, die über die Ernährung zugeführt werden müssen, und in nichtessentielle, die vom gesunden Organismus selbst hergestellt werden können. Zu den essentiellen Aminosäuren zählen Valin, Leucin und Isoleucin, Tryptophan, Threonin, Methionin, Lysin sowie Phenylalanin. Der Grundbedarf wird täglich mit ca. 1 g pro kg Körpergewicht angenommen. Dabei ist aber Eiweiß nicht gleich Eiweiß, je nach Quelle (z. B. tierisch oder pflanzlich) sind die Proteine aus unterschiedlichen Aminosäuren zusammengesetzt und werden mehr oder weniger richtig von den Zellstrukturen erkannt. Dies nennt sich auch Bioverfügbarkeit oder biologische „Wertigkeit“. Generell ist bekannt, daß Protein aus tierischen Quellen für den Menschen leichter zu verwerten sind, weil sie vom Aufbau und ihrer Art den körpereigenen Aminosäuren ähnlich sind. Sie haben eine deutlich höhere biologische Wertigkeit und man muß weniger davon aufnehmen, um die täglich im Organismus abgebauten Proteine wieder zu ersetzen.

Man weiß mittlerweile auch: Ein belastetes Immunsystem oder vermehrter Streß erhöhen den Bedarf an Proteinen oft bis auf das Dreifache. Man kann daher sagen, daß eine optimale Versorgung mit Proteinen tatsächlich Lebensqualität, Leistungsfähigkeit und ein längeres Leben sowie eine deutlich erhöhte Immunität gegen Streß, Viren und Krebs bedeuten.

Grundsätzlich gibt es im Körper viele verschiedene Stellen, an denen die unterschiedlichen Proteine zum Einsatz kommen: es gibt die Strukturproteine, die für die Form der Zellen verantwortlich sind, wie z. B. Kollagen, Elastin und Keratin. Dann die Transportproteine, die zum Beispiel Sauerstoff oder Fett transportieren, hier sind Myoglobin, Albumin und Hämoglobin zu nennen. Des weiteren die Speicherproteine, die dem Körper helfen, bestimmte Stoffe einzulagern, wie z. B. das Eisen. Und noch die kontraktilen Proteine, die z. B. als Myosin für die Muskelkontraktion sorgen, sowie die Schutzproteine, die auch Antikörper genannt werden. Darüber hinaus hat die Biochemieforschung herausgefunden, daß auch viele Hormone und Enzyme zu den Proteinen gehören.

Ein bedeutender Schritt in der Geschichte der Proteinforschung war die von Frederick Sanger 1945 entwickelte Methode zur Bestimmung der Aminosäuresequenz, womit er in zwölfjähriger Arbeit die Sequenz des Insulins bestimmte. Im Jahre 1955 konnte auf diese Weise die Sequenz der 51 kettenförmig angeordneten Aminosäuren des Insulins entschlüsselt werden.

Zwei Modelldarstellungen des Insulinmoleküls. Links das einfache Molekül (Monomer) als ein Kalottenmodell, aus dem die Oberflächenform hervorgeht. Rechts das sechsfache Molekül (Hexamer) als sogenanntes Bändermodell, bei dem die innere Struktur deutlich wird. Quelle: Wikimedia

Die Entwicklung des Two-Hybrid-Systems durch S. Fields und O. Song 1989, eines experimentellen Verfahrens zum Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen innerhalb lebender Hefezellen, erlaubte die Untersuchung der Interaktion von zwei bekannten Proteinen, sogenannten Protein-Protein-Wechselwirkungen. Sie ermöglichen ebenfalls die In-vivo-Untersuchung (d. h. in der lebendigen Zelle) von Protein-DNA- und Protein-RNA-Wechselwirkungen.

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