Wie der Nobelpreisträger Johann Deisenhofer einmal sagte:
"Gene allein können nichts bewirken. Das Leben entsteht mit den Proteinen."
Und er hat tatsächlich Recht:
Proteine sind wesentliche Bestandteile jeder einzelnen Zelle und machen den größten Teil ihrer Trockenmasse aus.
Diese Makromoleküle sind die Grundvoraussetzungen für das Leben auf der Erde.
Proteine können einem als Hormone begegnen.
Ein sehr bekanntes ist Insulin, das für die Steuerung des Glukosestoffwechsels verantwortlich ist.
Als Enzyme, ein Beispiel hierfür ist Laktase, können Proteine außerdem als Katalysatoren biochemischer Reaktionen fungieren
oder als Transportmittel dienen, wie etwa Hämoglobin.
Häufig findet man sie als eingebettete Bestandteile biologischer Membranen.
Außerdem sind Proteine an der zellulären Kommunikation und Signalübertragung beteiligt.
Sie schützen uns als Antikörper und helfen der Zelle, ihre Struktur aufrecht zu erhalten.
Der vollständige Satz der in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Organismus exprimierten Proteine wird als Proteom bezeichnet.
Rückblickend wissen wir, dass der schwedische Chemiker Jöns Jacob Berzelius den Nagel auf den Kopf traf,
als er in den 1830er Jahren des 19. Jahrhunderts einen Namen für diese Makromoleküle auswählte.
Er ist von dem griechischen Wort "proteios" abgeleitet, das so viel bedeutet wie „an erster Stelle stehend“.
Obwohl Proteine fast alles tun können, wie der Nobelpreisträger und Biochemiker Francis Crick einmal sagte,
ist jedes Protein unter Tausend anderen einzigartig.
Dies beruht in der Hauptsache auf seiner chemischen Struktur:
Jedes Protein besteht aus einer bestimmten Anzahl verschiedener Aminosäuren.
Einige Proteine bestehen nur aus 50-100 Säuren, andere enthalten Hunderte oder sogar Tausende.
Die Aminosäurensequenz der Proteine wird durch die Desoxyribonukleinsäure kodiert.
Dies legt die Grundlage für das "zentrale Dogma der Molekularbiologie": DNA führt zu RNA führt zu Proteinen.
Über eine Aminogruppe und eine Carboxylgruppe, die allen Aminosäuren gemeinsam ist,
können zwei von ihnen eine sehr starke chemische Bindung eingehen, eine sogenannte Peptidbindung.
Durch diese chemische Reaktion können Aminosäuren lange Ketten bilden, die einer Halskette ähnlich sind.
In lebenden Zellen wird dieser Vorgang der Proteinsynthese als Translation bezeichnet.
Er findet in kleinen, granulären Komponenten, die heute als Ribosomen bezeichnet werden, innerhalb des Zytosols statt.
Die Aminosäurensequenz eines Proteins wird als seine Primärstruktur bezeichnet,
und sie bildet das Rückgrat des Proteins.
Doch dies ist nur ein Ausgangspunkt:
Um ihre endgültige Funktion innerhalb eines Organismus erfüllen zu können,
müssen sich Proteine in die für sie typische dreidimensionale Struktur falten,
bei der es sich in der intrazellulären Umgebung um die thermodynamisch stabilste Konfirmation der geringsten Energie handelt.
Nachdem die Primärstruktur oder die Kette aufgebaut ist,
beginnt sich die Aminosäurenkette in ihre sogenannte Sekundärstruktur zu falten.
Die häufigsten Beispiele für diese Strukturen sind als Alpha-Helix und Beta-Faltblatt bekannt, die Schleifen bilden können.
Alle von ihnen werden durch nicht-kovalente Wasserstoffbrücken stabilisiert.
Doch die schrittweise Produktion eines Proteins ist immer noch nicht abgeschlossen:
Da jede Aminosäure über ihre eigene charakteristische Seitenkette verfügt,
kommt es zu einem elektrostatischen Zusammenspiel zwischen den Alpha-Helices und den Beta-Faltblättern,
und es bilden sich Schleifen.
Außerdem entwickeln sich hydrophobe Wechselwirkungen,
die schließlich zu der spezifischen dreidimensionalen nativen Konformation eines Proteins führt - die Kette wird gefaltet.
Dies wird als die Tertiärstruktur bezeichnet, die außerdem durch Salzbrücken und Disulfid-Bindungen stabilisiert wird.
Das erste Protein, dessen dreidimensionale Struktur bestimmt wurde, war Myoglobin, der Träger des Sauerstoffs in den Muskelzellen.
John Kendrew gelang im Jahr 1958 die Aufklärung seiner Struktur mit Hilfe der Röntgenstrahlkistallographie.
1962 bekam er für diese Arbeit einen Nobelpreis.
Und schließlich gibt es noch die sogenannte quaternäre Struktur, die dadurch entsteht,
dass mehrere Protein-Untereinheiten einen großen Proteinkomplex bilden.
Auf dem Gebiet der Proteinfaltung wurden im Lauf der Jahre große Fortschritte erzielt.
Heutzutage ist die Erstellung molekularer Modelle eine häufig verwendete Methode,
um die dreidimensionale Struktur von Proteinen vorherzusagen,
weil es häufig sehr schwierig oder zu kompliziert ist, größere Mengen nativen Proteins in vitro zu erhalten.
Die Erstellung von Computermodellen basiert auf der Sequenzanalyse und dem Vergleich mit bereits gut charakterisierten,
phylogenetisch ähnlichen Proteinen.
Diese Technik erlaubt die Simulation der räumlichen Struktur eines Proteins.
Letztlich liefert eine Simulation jedoch nur ein Bild dessen, was "sein könnte".
Sie wird niemals so genau sein wie die empirische Charakterisierung eines Proteins.
Johann Deisenhofer 2010:
Die Erstellung von Modellen ist mit Sicherheit noch nicht genau genug, um die Chemie zu erklären.
Selbst wenn es also möglich ist, ein auf Homologie basierendes Modell eines Proteins zu erstellen,
gelingt es uns bislang noch nicht, nahe genug an die reale Struktur heranzukommen,
um die Chemie, sagen wir, eine Enzymreaktion, zu erklären.
Jeden Tag korrespondieren die Wissenschaftler miteinander
und tauschen ihre neusten Ergebnisse über eine weltweite Datenbank namens Protein Data Bank oder PDB aus.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können Strukturinformationen von etwa 91.000 Proteinen über diese Plattform gefunden werden.
Dennoch bleibt es ein großes Geheimnis,
wie ein Protein seine native Konformation innerhalb von weniger als einer Sekunde finden kann,
während es theoretisch Milliarden von Jahren brauchen würde, alle seine möglichen Konformationen auszuprobieren.
Selbst heute kann die native Konformation eines Proteins allein auf der Grundlage seiner Aminosäurensequenz
nicht exakt vorhergesagt werden.
Christian Anfinsen 1983:
Das ganze Problem erreichte den Punkt, an dem es wichtig wurde zu entscheiden: warum ereignete sich das?
Es war offensichtlich ein thermodynamischer Vorgang und lief immer auf die gleiche Weise ab.
Warum geschah das also?
Was konnte man aus der Struktur eines Proteins ableiten, aus der Polypeptidsequenz usw.,
das etwas über den Mechanismus aussagen würde, durch den diese Faltung zustande kam?
Und dies ist nach wie vor ein von sehr vielen bearbeitetes Problem.
Die Situation ist deshalb kompliziert, weil Proteine, nachdem sie ein Ribosom verlassen haben,
verschiedene Arten sogenannter post-translationaler Modifikationen durchlaufen.
Diese sind für die interzelluläre Regulation unerlässlich.
So ist zum Beispiel jederzeit ein Drittel der vielen tausend verschiedenen Proteine,
die in einer durchschnittlichen Säugetierzelle aktiv sind, phosphoryliert.
Aus Gründen der interzellulären Kommunikation ist eine Phosphatgruppe mit ihnen verbunden.
Sie schalten Proteine, die in einer Signalkaskade eine Rolle spielen, entweder "ein" oder "aus".
Es gibt jedoch auch noch andere Regulationsmechanismen, die nicht immer ein Protein einschalten,
sondern manchmal seinen Tod einleiten.
Man nahm lange Zeit an, dass Polypeptidketten äußerst stabil sind und so lange leben wie wir selbst -
bis der Biochemiker Rudolf Schönheimer im Jahr 1941 den Vorschlag machte, Proteine als dynamische Strukturen zu betrachten.
Es dauerte einige Jahrzehnte, bis seine Theorie bestätigt werden konnte,
Aaron Ciechanover und Avram Hershko gelang es schließlich, dies zu zeigen.
Sie entdeckten das Ubiquitin-Proteasom-System als den wichtigsten Stoffwechselweg
zum Abbau der Proteine im Zytosol der Eukaryoten.
Zusammen mit Irwin Rose erhielt das Duo für seine Entdeckung im Jahre 2004 den Nobelpreis für Chemie.
In einer Enzymkaskade wird eine Polyubiquitinkette einem fehlerhaft gefalteten,
nicht mehr benötigten oder fremden Protein angefügt.
Nachdem es auf diese Weise markiert wurde, wird das Protein von einem Proteasom erkannt,
bei dem es sich um einen im Zytosol gehäuft auftretenden, zylindrischen Proteinkomplex handelt.
Im Inneren des Proteasoms werden mit Ubiquitin markierte Proteine zu Peptiden abgebaut,
die dann zu kürzeren Aminosäuren noch weiter abgebaut werden können.
Diese Mechanismen sind für das Leben unerlässlich, da der Proteinabbau für Zellprozesse wie etwa die Zellteilung
oder bei der Genexpression und auch als Qualitätskontrolle fungiert.
Man könnte daher den Schluss ziehen: Das Leben ist nur mit dem Tod möglich - selbst im Fall der Proteine.