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Protein

  Eine Darstellung der 3D-Struktur von Myoglobin mit farbigen Alpha-Helices. Dieses Protein war das erste, dessen Struktur durch Röntgenkristallographie aufgeklärt wurde.   Vergrößern Eine Darstellung der 3D-Struktur von Myoglobin mit farbigen Alpha-Helices. Dieses Protein war das erste, dessen Struktur durch Röntgenkristallographie aufgeklärt wurde.

Proteine sind große organische Verbindungen aus Aminosäuren, die in einer linearen Kette angeordnet und zwischen dem Carboxylatom einer Aminosäure und dem Aminstickstoff einer anderen verbunden sind. Diese Bindung wird als Peptidbindung bezeichnet. Die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein wird durch ein Gen definiert und darin kodiert genetischer Code . Obwohl dieser genetische Code 20 „Standard“-Aminosäuren vorschreibt, werden die Reste in einem Protein oft in posttranslationaler Modifikation chemisch verändert: entweder bevor das Protein in der Zelle funktionieren kann oder als Teil von Kontrollmechanismen. Proteine ​​können auch zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen, und sie verbinden sich oft zu stabilen Komplexen.

Wie andere biologische Makromoleküle wie Polysaccharide und Nukleinsäuren sind Proteine ​​wesentliche Bestandteile aller lebenden Organismen und an jedem Prozess darin beteiligt Zellen . Viele Proteine ​​sind Enzyme, die biochemische Reaktionen katalysieren und für den Stoffwechsel lebenswichtig sind. Andere Proteine ​​haben strukturelle oder mechanische Funktionen, wie die Proteine ​​im Zytoskelett, das ein Gerüstsystem bildet, das die Zellform aufrechterhält. Proteine ​​sind auch wichtig für die Zellsignalisierung, Immunantworten, Zelladhäsion und den Zellzyklus. Protein ist auch ein notwendiger Bestandteil unserer Ernährung, da Tiere nicht alle Aminosäuren synthetisieren können und essentielle Aminosäuren aus der Nahrung beziehen müssen. Durch den Verdauungsprozess zerlegen Tiere aufgenommenes Protein in freie Aminosäuren, die für die Proteinsynthese verwendet werden können.

Der Name Protein stammt aus dem Griechischen Erste ('prota'), was ' von primärer Bedeutung ' und wurden erstmals 1838 von Jöns Jakob Berzelius beschrieben und benannt. Ihre zentrale Rolle in lebenden Organismen wurde jedoch erst 1926 vollständig gewürdigt, als James B. Sumner zeigte, dass das Enzym Urease ein Protein ist. Die ersten Proteinstrukturen, die gelöst werden konnten inbegriffen Insulin und Myoglobin; die erste stammt von Sir Frederick Sanger, der dafür 1958 den Nobelpreis erhielt, und die zweite von Max Perutz und Sir John Cowdery Kendrew im Jahr 1958. Die dreidimensionalen Strukturen beider Proteine ​​gehörten zu den ersten, die durch Röntgenbeugungsanalyse bestimmt wurden; Die Myoglobinstruktur wurde für ihre Entdecker mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.



Biochemie

  Resonanzstrukturen der Peptidbindung, die einzelne Aminosäuren zu einem Proteinpolymer verbindet.   Vergrößern Resonanzstrukturen der Peptidbindung, die einzelne Aminosäuren zu einem Proteinpolymer verbindet.  Abschnitt einer Proteinstruktur, der Serin- und Alaninreste zeigt, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Kohlenstoffe sind weiß dargestellt und Wasserstoffatome sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.   Vergrößern Abschnitt einer Proteinstruktur, der Serin- und Alaninreste zeigt, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Kohlenstoffe sind weiß dargestellt und Wasserstoffatome sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

Proteine ​​sind lineare Polymere, die aus 20 verschiedenen L-Alpha-Aminosäuren aufgebaut sind. Alle Aminosäuren teilen gemeinsame Strukturmerkmale, einschließlich eines Alpha-Kohlenstoffs, an den eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe und eine variable Seitenkette gebunden sind. Nur Prolin zeigt in gewisser Weise einen geringen Unterschied, indem es einen ungewöhnlichen Ring an der Amingruppe am N-Ende enthält, der die CO-NH-Amidsequenz in eine feste Konformation zwingt. Die Seitenketten der Standardaminosäuren, die in der Liste der Standardaminosäuren aufgeführt sind, haben unterschiedliche chemische Eigenschaften, die die dreidimensionale Struktur von Proteinen erzeugen und daher für die Proteinfunktion entscheidend sind. Die Aminosäuren in einer Polypeptidkette sind durch Peptidbindungen verbunden, die in einer Dehydratisierungsreaktion gebildet werden. Einmal in der Proteinkette verknüpft, wird eine einzelne Aminosäure als a bezeichnet Rückstand und die verknüpften Reihen von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen sind als bekannt Hauptkette oder Protein-Rückgrat . Die Peptidbindung hat zwei Resonanzformen, die einen gewissen Doppelbindungscharakter beitragen und die Rotation um ihre Achse verhindern, so dass die Alpha-Kohlenstoffe ungefähr koplanar sind. Die anderen beiden Diederwinkel in der Peptidbindung bestimmen die lokale Form, die das Proteinrückgrat annimmt.

Aufgrund der chemischen Struktur der einzelnen Aminosäuren ist die Proteinkette gerichtet. Das Ende des Proteins mit einer freien Carboxylgruppe ist als C-Terminus oder Carboxy-Terminus bekannt, während das Ende mit einer freien Aminogruppe als N-Terminus oder Amino-Terminus bekannt ist.

Es gibt einige Mehrdeutigkeiten zwischen der Verwendung der Wörter Protein , Polypeptid , und Peptid . Protein wird im Allgemeinen verwendet, um sich auf das vollständige biologische Molekül in einer stabilen Konformation zu beziehen, während Peptid ist im Allgemeinen für kurze Aminosäureoligomere reserviert, denen oft eine stabile dreidimensionale Struktur fehlt. Die Grenze zwischen den beiden ist jedoch schlecht definiert und liegt normalerweise in der Nähe von 20–30 Resten. Polypeptid kann sich auf jede einzelne lineare Kette von Aminosäuren beziehen, normalerweise unabhängig von der Länge, impliziert jedoch häufig das Fehlen einer einzelnen definierten Konformation.

Synthese

Proteine ​​werden mithilfe von in Genen codierten Informationen aus Aminosäuren zusammengesetzt. Jedes Protein hat seine eigene einzigartige Aminosäuresequenz, die durch die Nukleotidsequenz des Gens spezifiziert wird, das dieses Protein codiert. Das genetischer Code ist ein Satz von Drei-Nukleotid-Mengen genannt Kodons und jede Drei-Nukleotid-Kombination steht für eine Aminosäure, beispielsweise steht ATG für Methionin. Da DNS enthält vier Nukleotide, die Gesamtzahl möglicher Codons beträgt 64; daher gibt es eine gewisse Redundanz im genetischen Code und einige Aminosäuren werden durch mehr als ein Codon spezifiziert. Gene, die in DNA kodiert sind, werden zunächst durch Proteine ​​wie RNA-Polymerase in Pre-Messenger-RNA (mRNA) transkribiert. Die meisten Organismen verarbeiten dann die Prä-mRNA (auch bekannt als a primäres Transkript ) unter Verwendung verschiedener Formen der posttranskriptionellen Modifikation zur Bildung der reifen mRNA, die dann als Matrize für die Proteinsynthese durch das Ribosom verwendet wird. In Prokaryoten kann die mRNA entweder sofort nach ihrer Produktion verwendet werden oder von einem Ribosom gebunden werden, nachdem sie sich vom Nukleoid entfernt hat. Im Gegensatz, Eukaryoten stellen mRNA im Zellkern her und translozieren sie dann über die Kernmembran ins Zytoplasma, wo dann die Proteinsynthese stattfindet. Die Rate der Proteinsynthese ist bei Prokaryoten höher als bei Eukaryoten und kann bis zu 20 Aminosäuren pro Sekunde erreichen.

Der Prozess der Synthese eines Proteins aus einer mRNA-Matrize wird als Translation bezeichnet. Die mRNA wird auf das Ribosom geladen und jeweils drei Nukleotide gelesen, indem jedes Codon mit seinem Basenpaarungs-Anticodon abgeglichen wird, das sich auf einem Transfer-RNA-Molekül befindet, das die Aminosäure trägt, die dem von ihm erkannten Codon entspricht. Das Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase „belädt“ die tRNA-Moleküle mit den richtigen Aminosäuren. Das wachsende Polypeptid wird oft als das bezeichnet entstehende Kette . Proteine ​​werden immer vom N-Terminus zum C-Terminus biosynthetisiert.

Die Größe eines synthetisierten Proteins kann anhand der Anzahl der enthaltenen Aminosäuren und seiner gesamten Molekülmasse gemessen werden, die normalerweise in Einheiten von angegeben wird Dalton (Synonym für atomare Masseneinheiten) oder die abgeleitete Einheit Kilodalton (kDa). Hefe Proteine ​​sind im Durchschnitt 466 Aminosäuren lang und haben eine Masse von 53 kDa. Die größten bekannten Proteine ​​sind die Titine, ein Bestandteil des Muskelsarkomers, mit einer Molekülmasse von fast 3.000 kDa und einer Gesamtlänge von fast 27.000 Aminosäuren.

Chemische Synthese

Kurze Proteine ​​können auch chemisch im Labor durch eine Familie von Methoden synthetisiert werden, die als Peptidsynthese bekannt sind, die auf organischen Synthesetechniken wie chemischer Ligation beruhen, um Peptide in hoher Ausbeute herzustellen. Die chemische Synthese ermöglicht die Einführung von nicht-natürlichen Aminosäuren in Polypeptidketten, wie z. B. das Anbringen von fluoreszierenden Sonden an Aminosäureseitenketten. Diese Verfahren sind in der Laborbiochemie und Zellbiologie nützlich, wenn auch im Allgemeinen nicht für kommerzielle Anwendungen. Die chemische Synthese ist für Polypeptide, die länger als etwa 300 Aminosäuren sind, ineffizient, und die synthetisierten Proteine ​​nehmen möglicherweise nicht ohne weiteres ihre native Tertiärstruktur an. Die meisten chemischen Syntheseverfahren verlaufen vom C-Terminus zum N-Terminus, entgegengesetzt zur biologischen Reaktion.

Struktur von Proteinen

  Drei mögliche Darstellungen der dreidimensionalen Struktur des Proteins Triosephosphatisomerase. Links: Darstellung aller Atome, gefärbt nach Atomtyp. Mitte:"cartoon" representation illustrating the backbone conformation, colored by secondary structure. Right: Solvent-accessible surface representation colored by residue type (acidic residues red, basic residues blue, polar residues green, nonpolar residues white).   Vergrößern Drei mögliche Darstellungen der dreidimensionalen Struktur des Proteins Triosephosphatisomerase. Links: Darstellung aller Atome, gefärbt nach Atomtyp. Mitte: 'Cartoon'-Darstellung, die die Gerüstkonformation darstellt, gefärbt durch Sekundärstruktur. Rechts: Lösungsmittelzugängliche Oberflächendarstellung gefärbt nach Rückstandstyp (saure Rückstände rot, basische Rückstände blau, polare Rückstände grün, unpolare Rückstände weiß).

Die meisten Proteine ​​falten sich zu einzigartigen dreidimensionalen Strukturen. Die Form, in die sich ein Protein auf natürliche Weise faltet, wird als nativer Zustand bezeichnet. Obwohl sich viele Proteine ​​einfach durch die strukturellen Neigungen ihrer Aminosäurebestandteile ohne Unterstützung falten können, benötigen andere die Hilfe von molekularen Chaperonen, um sich effizient in ihren nativen Zustand zu falten. Biochemiker beziehen sich oft auf vier unterschiedliche Aspekte der Struktur eines Proteins:

  • Primäre Struktur : die Aminosäuresequenz
  • Sekundärstruktur : sich regelmäßig wiederholende lokale Strukturen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden. Die häufigsten Beispiele sind die Alpha-Helix und das Beta-Blatt. Da Sekundärstrukturen lokal sind, können viele Regionen mit unterschiedlicher Sekundärstruktur in demselben Proteinmolekül vorhanden sein.
  • Tertiärstruktur : die Gesamtform eines einzelnen Proteinmoleküls; die räumliche Beziehung der Sekundärstrukturen zueinander. Die Tertiärstruktur wird im Allgemeinen durch nichtlokale Wechselwirkungen stabilisiert, am häufigsten durch die Bildung eines hydrophoben Kerns, aber auch durch Salzbrücken, Wasserstoffbrücken, Disulfidbrücken und sogar posttranslationale Modifikationen. Der Begriff „Tertiärstruktur“ wird häufig als Synonym zum Begriff verwendet falten .
  • Quartäre Struktur : die Form oder Struktur, die sich aus der Wechselwirkung von mehr als einem Proteinmolekül ergibt, üblicherweise genannt Proteinuntereinheiten in diesem Zusammenhang, die als Teil der größeren Anordnung oder des Proteinkomplexes fungieren.

Zusätzlich zu diesen Strukturebenen können Proteine ​​bei der Erfüllung ihrer biologischen Funktion zwischen mehreren verwandten Strukturen wechseln. Im Zusammenhang mit diesen funktionellen Umlagerungen werden diese tertiären oder quaternären Strukturen üblicherweise als „Konformationen“ bezeichnet und Übergänge zwischen ihnen genannt Konformationsänderungen. Solche Veränderungen werden oft durch die Bindung eines Substratmoleküls an das aktive Zentrum eines Enzyms oder die physische Region des Proteins, die an der chemischen Katalyse beteiligt ist, induziert.

  Molekulare Oberfläche mehrerer Proteine, die ihre vergleichbaren Größen zeigen. Von links nach rechts sind: Antikörper (IgG), Hämoglobin, Insulin (ein Hormon), Adenylatkinase (ein Enzym) und Glutaminsynthetase (ein Enzym).   Vergrößern Molekulare Oberfläche mehrerer Proteine, die ihre vergleichbaren Größen zeigen. Von links nach rechts sind: Antikörper (IgG), Hämoglobin, Insulin (ein Hormon), Adenylatkinase (ein Enzym) und Glutaminsynthetase (ein Enzym).

Proteine ​​können informell in drei Hauptklassen eingeteilt werden, die mit typischen Tertiärstrukturen korrelieren: globuläre Proteine, faserige Proteine ​​und Membranproteine. Fast alle globulären Proteine ​​sind löslich und viele sind Enzyme. Faserproteine ​​sind oft strukturell; Membranproteine ​​dienen oft als Rezeptoren oder bieten Kanäle für polare oder geladene Moleküle, um die Zellmembran zu passieren.

Ein Sonderfall von intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb von Proteinen, die schlecht vor Wasserangriff geschützt sind und daher ihre eigene Dehydratisierung fördern, werden als Dehydrone bezeichnet.

Strukturbestimmung

Die Entdeckung der Tertiärstruktur eines Proteins oder der Quartärstruktur seiner Komplexe kann wichtige Hinweise darauf liefern, wie das Protein seine Funktion erfüllt. Übliche experimentelle Methoden zur Strukturbestimmung umfassen Röntgenkristallographie und NMR-Spektroskopie, die beide Informationen liefern können atomar Auflösung. Kryoelektronenmikroskopie wird verwendet, um Strukturinformationen mit geringerer Auflösung über sehr große Proteinkomplexe, einschließlich zusammengesetzter, zu erzeugen Viren ; auch eine als elektronenkristallographie bezeichnete variante kann in manchen fällen hochaufgelöste informationen liefern, insbesondere bei zweidimensionalen kristallen von membranproteinen. Gelöste Strukturen werden normalerweise in der Protein Data Bank (PDB) hinterlegt, einer frei verfügbaren Ressource, aus der Strukturdaten über Tausende von Proteinen in Form von kartesischen Koordinaten für jedes Atom im Protein erhalten werden können.

Es gibt viel mehr bekannte Gensequenzen als aufgeklärte Proteinstrukturen. Darüber hinaus ist der Satz gelöster Strukturen auf solche Proteine ​​ausgerichtet, die leicht den experimentellen Bedingungen unterzogen werden können, die von einem der wichtigsten Strukturbestimmungsverfahren benötigt werden. Insbesondere globuläre Proteine ​​lassen sich vergleichsweise leicht in Vorbereitung auf die Röntgenkristallographie kristallisieren, die nach wie vor die älteste und gebräuchlichste Strukturbestimmungstechnik ist. Membranproteine ​​hingegen sind schwierig zu kristallisieren und in der PDB unterrepräsentiert. Initiativen zur Strukturgenomik haben versucht, diese Mängel zu beheben, indem sie systematisch repräsentative Strukturen von Hauptfaltungsklassen lösen. Proteinstrukturvorhersageverfahren versuchen, ein Mittel bereitzustellen, um eine plausible Struktur für Proteine ​​zu erzeugen, deren Strukturen nicht experimentell bestimmt wurden.

Zellfunktionen

Proteine ​​sind die Hauptakteure innerhalb der Zelle, von denen gesagt wird, dass sie die Aufgaben ausführen, die durch die in Genen codierten Informationen festgelegt sind. Mit Ausnahme bestimmter Arten von RNA sind die meisten anderen biologischen Moleküle relativ inerte Elemente, auf die Proteine ​​einwirken. Proteine ​​machen die Hälfte des Trockengewichts einer E. coli-Zelle aus, während andere Makromoleküle wie DNA und RNA nur 3 % bzw. 20 % ausmachen. Das Gesamtkomplement von Proteinen, die in einer bestimmten Zelle oder einem bestimmten Zelltyp exprimiert werden, ist als sein Proteom bekannt.

  Das Enzym Hexokinase wird als einfaches Kugel-Stab-Molekülmodell gezeigt. In der rechten oberen Ecke sind die beiden Substrate ATP und Glucose maßstäblich dargestellt.   Vergrößern Das Enzym Hexokinase wird als einfaches Kugel-Stab-Molekülmodell gezeigt. In der rechten oberen Ecke sind die beiden Substrate ATP und Glucose maßstäblich dargestellt.

Die Haupteigenschaft von Proteinen, die es ihnen ermöglicht, ihre vielfältigen Zellfunktionen auszuführen, ist ihre Fähigkeit, andere Moleküle spezifisch und fest zu binden. Die Region des Proteins, die für die Bindung eines anderen Moleküls verantwortlich ist, ist als Bindungsstelle bekannt und ist oft eine Vertiefung oder 'Tasche' auf der Moleküloberfläche. Diese Bindungsfähigkeit wird durch die Tertiärstruktur des Proteins, die die Bindungsstellentasche definiert, und durch die chemischen Eigenschaften der Seitenketten der umgebenden Aminosäuren vermittelt. Die Proteinbindung kann außerordentlich fest und spezifisch sein; Beispielsweise bindet das Ribonuklease-Inhibitor-Protein an humanes Angiogenin mit einer subfemtomolaren Dissoziationskonstante (<10 -fünfzehn M), bindet aber überhaupt nicht an seine amphibische Homologonconase (> 1 M). Äußerst geringfügige chemische Veränderungen wie die Addition einer einzelnen Methylgruppe an einen Bindungspartner können manchmal ausreichen, um die Bindung nahezu zu eliminieren; Beispielsweise diskriminiert die für die Aminosäure Valin spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetase die sehr ähnliche Seitenkette der Aminosäure Isoleucin.

Proteine ​​können sowohl an andere Proteine ​​als auch an niedermolekulare Substrate binden. Wenn Proteine ​​spezifisch an andere Kopien desselben Moleküls binden, können sie oligomerisieren, um Fibrillen zu bilden; Dieser Prozess tritt häufig in Strukturproteinen auf, die aus kugelförmigen Monomeren bestehen, die sich selbst assoziieren, um starre Fasern zu bilden. Protein-Protein-Wechselwirkungen regulieren auch die enzymatische Aktivität, steuern das Fortschreiten durch den Zellzyklus und ermöglichen den Aufbau großer Proteinkomplexe, die viele eng verwandte Reaktionen mit einer gemeinsamen biologischen Funktion ausführen. Proteine ​​können auch an Zellmembranen binden oder sogar in diese eingebaut werden. Die Fähigkeit von Bindungspartnern, Konformationsänderungen in Proteinen zu induzieren, ermöglicht den Aufbau enorm komplexer Signalnetzwerke.

Enzyme

Die bekannteste Rolle von Proteinen in der Zelle ist ihre Aufgabe als Enzyme, die chemische Reaktionen katalysieren. Enzyme sind meist hochspezifische Katalysatoren, die nur eine oder wenige chemische Reaktionen beschleunigen. Enzyme bewirken die meisten Reaktionen, die am Metabolismus und Katabolismus sowie an der DNA-Replikation beteiligt sind, DNA-Reparatur und RNA-Synthese. Einige Enzyme wirken auf andere Proteine, um chemische Gruppen in einem Prozess hinzuzufügen oder zu entfernen, der als posttranslationale Modifikation bekannt ist. Es ist bekannt, dass etwa 4.000 Reaktionen durch Enzyme katalysiert werden. Die Geschwindigkeitsbeschleunigung durch enzymatische Katalyse ist oft enorm – bis zu 10 17 -facher Geschwindigkeitsanstieg gegenüber der unkatalysierten Reaktion im Fall von Orotat-Decarboxylase.

Die Moleküle, die von Enzymen gebunden und beaufschlagt werden, werden als Substrate bezeichnet. Obwohl Enzyme aus Hunderten von Aminosäuren bestehen können, kommt meist nur ein kleiner Bruchteil der Reste mit dem Substrat in Kontakt. und ein noch kleinerer Anteil – durchschnittlich 3–4 Reste – die direkt an der Katalyse beteiligt sind. Die Region des Enzyms, die das Substrat bindet und die katalytischen Reste enthält, wird als aktives Zentrum bezeichnet.

Zellsignalisierung und Ligandentransport

  Ein Maus-Antikörper gegen Cholera, der ein Kohlenhydrat-Antigen bindet.   Vergrößern Ein Maus-Antikörper dagegen Cholera das ein Kohlenhydrat-Antigen bindet.

Viele Proteine ​​sind am Prozess der Zellsignalisierung und Signaltransduktion beteiligt. Einige Proteine, wie z Insulin , sind extrazelluläre Proteine, die ein Signal von der Zelle, in der sie synthetisiert wurden, an andere Zellen in entfernten Geweben weiterleiten. Andere sind Membranproteine, die als Rezeptoren fungieren, deren Hauptfunktion darin besteht, ein Signalmolekül zu binden und eine biochemische Reaktion in der Zelle auszulösen. Viele Rezeptoren sind Membranproteine, die eine auf der Zelloberfläche exponierte Bindungsstelle und eine Effektordomäne innerhalb der Zelle aufweisen, die enzymatische Aktivität aufweisen oder einer Konformationsänderung unterliegen können, die von anderen Proteinen innerhalb der Zelle nachgewiesen wird.

Antikörper sind Proteinkomponenten des adaptiven Immunsystems, deren Hauptfunktion darin besteht, Antigene oder Fremdsubstanzen im Körper zu binden und sie zur Zerstörung anzusteuern. Antikörper können in die extrazelluläre Umgebung sezerniert oder in den Membranen von spezialisierten B-Zellen, den so genannten Plasmazellen, verankert werden. Während Enzyme in ihrer Bindungsaffinität für ihre Substrate durch die Notwendigkeit, ihre Reaktion durchzuführen, begrenzt sind, haben Antikörper keine derartigen Beschränkungen. Die Bindungsaffinität eines Antikörpers zu seinem Ziel ist außerordentlich hoch.

Viele Liganden-Transportproteine ​​binden bestimmte kleine Biomoleküle und transportieren sie an andere Stellen im Körper eines vielzelligen Organismus. Diese Proteine ​​müssen eine hohe Bindungsaffinität haben, wenn ihr Ligand in hohen Konzentrationen vorhanden ist, müssen aber auch den Liganden freisetzen, wenn er in niedrigen Konzentrationen in den Zielgeweben vorhanden ist. Das kanonische Beispiel eines Liganden-bindenden Proteins ist Hämoglobin, das transportiert Sauerstoff von der Lunge zu anderen Organen und Geweben insgesamt Wirbeltiere und hat enge Homologe in jedem biologischen Reich.

Transmembranproteine ​​können auch als Ligandentransportproteine ​​dienen, die die Permeabilität der Zellmembran für kleine Moleküle und Ionen verändern. Allein die Membran hat einen hydrophoben Kern, durch den polare oder geladene Moleküle nicht diffundieren können. Membranproteine ​​​​enthalten interne Kanäle, die es solchen Molekülen ermöglichen, in die Zelle einzudringen und sie zu verlassen. Viele Ionenkanalproteine ​​sind darauf spezialisiert, nur nach einem bestimmten Ion zu selektieren; zum Beispiel, Kalium und Natrium Kanäle unterscheiden oft nur eines der beiden Ionen.

Strukturproteine

Strukturproteine ​​verleihen ansonsten flüssigen biologischen Komponenten Steifheit und Starrheit. Die meisten Strukturproteine ​​sind Faserproteine; Beispielsweise sind Aktin und Tubulin kugelförmig und als Monomere löslich, polymerisieren jedoch zu langen, steifen Fasern, die das Zytoskelett bilden, wodurch die Zelle ihre Form und Größe beibehalten kann. Kollagen und Elastin sind wichtige Bestandteile von Bindegewebe wie Knorpel, und Keratin findet sich in harten oder fadenförmigen Strukturen wie Haaren, Nägeln, Gefieder , Hufe und einige Tierschalen.

Andere Proteine, die strukturelle Funktionen erfüllen, sind Motorproteine ​​wie Myosin, Kinesin und Dynein, die in der Lage sind, mechanische Kräfte zu erzeugen. Diese Proteine ​​sind entscheidend für die zelluläre Beweglichkeit einzelliger Organismen und die Spermien vieler sich sexuell fortpflanzender vielzelliger Organismen. Sie erzeugen auch die Kräfte, die durch kontrahierende Muskeln ausgeübt werden.

Methoden des Studiums

Als einige der am häufigsten untersuchten biologischen Moleküle werden sowohl die Aktivitäten als auch die Strukturen von Proteinen untersucht in-vitro und live . In vitro Studien an gereinigten Proteinen in kontrollierten Umgebungen sind nützlich, um zu lernen, wie ein Protein seine Funktion ausführt: zum Beispiel Enzymkinetik Studien untersuchen den chemischen Mechanismus der katalytischen Aktivität eines Enzyms und seine relative Affinität zu verschiedenen möglichen Substratmolekülen. Im Gegensatz, live Experimente zu den Aktivitäten von Proteinen in Zellen oder sogar in ganzen Organismen können ergänzende Informationen darüber liefern, wo ein Protein funktioniert und wie es reguliert wird.

Proteinreinigung

Um aufzutreten in-vitro Analysen muss ein Protein von anderen Zellbestandteilen gereinigt werden. Dieser Prozess beginnt normalerweise mit der Zelllyse, bei der die Membran einer Zelle aufgebrochen und ihr innerer Inhalt in eine Lösung freigesetzt wird, die als Rohlysat bekannt ist. Die resultierende Mischung kann unter Verwendung von Ultrazentrifugation gereinigt werden, die die verschiedenen Zellkomponenten in Fraktionen fraktioniert, die lösliche Proteine ​​enthalten; Membran Lipide und Proteine; Zellorganellen und Nukleinsäuren. Ausfällung durch ein als Aussalzen bekanntes Verfahren kann die Proteine ​​aus diesem Lysat anreichern. Verschiedene Arten von Chromatographie werden dann verwendet, um das Protein oder die Proteine ​​von Interesse basierend auf Eigenschaften wie Molekulargewicht, Nettoladung und Bindungsaffinität zu isolieren. Der Grad der Reinigung kann unter Verwendung von Gelelektrophorese überwacht werden, wenn das Molekulargewicht des gewünschten Proteins bekannt ist, durch Spektroskopie, wenn das Protein unterscheidbare spektroskopische Merkmale aufweist, oder durch Enzymassays, wenn das Protein enzymatische Aktivität aufweist.

Bei natürlichen Proteinen kann eine Reihe von Reinigungsschritten erforderlich sein, um Proteine ​​zu erhalten, die für Laboranwendungen ausreichend rein sind. Um diesen Prozess zu vereinfachen, wird häufig Gentechnik eingesetzt, um Proteinen chemische Merkmale hinzuzufügen, die ihre Reinigung erleichtern, ohne ihre Struktur oder Aktivität zu beeinträchtigen. Hier wird ein „Tag“, bestehend aus einer bestimmten Aminosäuresequenz, häufig eine Reihe von Histidinresten (ein „His-Tag“), an einem Terminus des Proteins angebracht. Dadurch wird, wenn das Lysat über eine enthaltende Chromatographiesäule geleitet wird Nickel binden die Histidinreste das Nickel und heften sich an die Säule, während die unmarkierten Bestandteile des Lysats ungehindert passieren.

Zelluläre Lokalisierung

  Proteine ​​in verschiedenen zellulären Kompartimenten und Strukturen, markiert mit grün fluoreszierendem Protein.   Vergrößern Proteine ​​in verschiedenen zellulären Kompartimenten und Strukturen, markiert mit grün fluoreszierendem Protein.

Das Studium der Proteine live befasst sich häufig mit der Synthese und Lokalisierung des Proteins innerhalb der Zelle. Obwohl viele intrazelluläre Proteine ​​im Zytoplasma und membrangebundene oder sezernierte Proteine ​​im endoplasmatischen Retikulum synthetisiert werden, ist die genaue Art und Weise, wie Proteine ​​auf bestimmte Organellen oder zelluläre Strukturen gerichtet werden, oft unklar. Eine nützliche Technik zum Bewerten der zellulären Lokalisierung verwendet die Gentechnik, um in einer Zelle ein Fusionsprotein oder eine Chimäre zu exprimieren, die aus dem natürlichen Protein von Interesse besteht, das mit einem 'Reporter', wie z. B. dem grün fluoreszierenden Protein (GFP), verbunden ist. Die Position des fusionierten Proteins innerhalb der Zelle kann mithilfe der Mikroskopie sauber und effizient sichtbar gemacht werden, wie in der nebenstehenden Abbildung gezeigt.

Durch eine andere gentechnische Anwendung, die als ortsgerichtete Mutagenese bekannt ist, können Forscher die Proteinsequenz und damit ihre Struktur, zelluläre Lokalisierung und Anfälligkeit für Regulierung verändern, was verfolgt werden kann live per GFP-Tagging bzw in-vitro durch Enzymkinetik und Bindungsstudien.

Proteomik und Bioinformatik

Die Gesamtheit der Proteine, die in einer Zelle oder einem Zelltyp vorhanden sind, wird als Proteom bezeichnet, und die Untersuchung solcher Datensätze im großen Maßstab definiert das Gebiet der Proteomik, das in Analogie zum verwandten Gebiet der Genomik benannt wird. Zu den wichtigsten experimentellen Techniken in der Proteomik gehören Protein-Mikroarrays, die den Nachweis der relativen Konzentrationen einer großen Anzahl von Proteinen in einer Zelle ermöglichen, und Zwei-Hybrid-Screening, das die systematische Untersuchung von Protein-Protein-Wechselwirkungen ermöglicht. Die Gesamtheit biologisch möglicher solcher Wechselwirkungen wird als Interaktom bezeichnet. Ein systematischer Versuch, die Strukturen von Proteinen zu bestimmen, die jede mögliche Faltung darstellen, wird als strukturelle Genomik bezeichnet.

Die große Menge an genomischen und proteomischen Daten, die für eine Vielzahl von Organismen, einschließlich des menschlichen Genoms, verfügbar sind, ermöglicht es Forschern, homologe Proteine ​​in entfernt verwandten Organismen effizient zu identifizieren Sequenzausrichtung . Sequenzprofilierungswerkzeuge können spezifischere Sequenzmanipulationen durchführen, wie z. B. Restriktionsenzymkarten, offene Leserahmenanalysen für Nukleotidsequenzen und Sekundärstrukturvorhersage. Aus diesen Daten können phylogenetische Bäume konstruiert und evolutionär Hypothesen, die mit spezieller Software wie ClustalW entwickelt wurden, über die Abstammung moderner Organismen und die Gene, die sie exprimieren. Das Feld von Bioinformatik versucht, genomische und proteomische Daten zu sammeln, zu kommentieren und zu analysieren und sich zu bewerben rechnerisch Techniken zu biologischen Problemen wie Genfindung und Kladistik.

Strukturvorhersage und -simulation

Komplementär zum Bereich der Strukturgenomik versucht die Proteinstrukturvorhersage, effiziente Wege zu entwickeln, um plausible Modelle für Proteine ​​bereitzustellen, deren Strukturen noch nicht experimentell bestimmt wurden. Die erfolgreichste Art der Strukturvorhersage, die als Homologiemodellierung bekannt ist, beruht auf der Existenz einer 'Template'-Struktur mit Sequenzähnlichkeit zu dem Protein, das modelliert wird; Das Ziel der strukturellen Genomik ist es, eine ausreichende Darstellung in gelösten Strukturen bereitzustellen, um die meisten der verbleibenden zu modellieren. Obwohl die Herstellung genauer Modelle eine Herausforderung bleibt, wenn nur entfernt verwandte Matrizenstrukturen verfügbar sind, wurde vorgeschlagen, dass die Sequenzausrichtung der Engpass in diesem Prozess ist, da ziemlich genaue Modelle hergestellt werden können, wenn eine 'perfekte' Sequenzausrichtung bekannt ist. Viele Strukturvorhersagemethoden haben dazu beigetragen, das aufstrebende Gebiet des Protein-Engineering zu informieren, in dem bereits neuartige Proteinfaltungen entworfen wurden. Ein komplexeres Berechnungsproblem ist die Vorhersage intermolekularer Wechselwirkungen, beispielsweise beim molekularen Docking und der Vorhersage von Protein-Protein-Wechselwirkungen.

Die Prozesse der Proteinfaltung und -bindung können mit aus der Molekulardynamik abgeleiteten Techniken simuliert werden, die zunehmend verteiltes Rechnen wie im [email protected] nutzen. Die Faltung kleiner alpha-helikaler Proteindomänen wie dem Villin-Kopfstück und der HIV akzessorisches Protein wurden erfolgreich simuliert in silico , und Hybridmethoden, die Standard-Molekulardynamik mit kombinieren Quantenmechanik Berechnungen haben die Erforschung der elektronischen Zustände von Rhodopsinen ermöglicht.

Ernährung

Die meisten Mikroorganismen und Pflanzen können alle 20 Standardaminosäuren biosynthetisieren, während Tiere einige der Aminosäuren aus der Nahrung beziehen müssen. Schlüsselenzyme in den Biosynthesewegen, die bestimmte Aminosäuren synthetisieren – wie Aspartokinase, die den ersten Schritt bei der Synthese von Lysin, Methionin und Threonin aus Aspartat katalysiert – sind in Tieren nicht vorhanden. Die Aminosäuren, die ein Organismus nicht selbst synthetisieren kann, werden als essentielle Aminosäuren bezeichnet. (Diese Bezeichnung wird oft verwendet, um diejenigen zu identifizieren, die für Menschen .) Wenn Aminosäuren in der Umwelt vorhanden sind, können die meisten Mikroorganismen Energie sparen, indem sie die Aminosäuren aus der Umwelt aufnehmen und ihre eigenen Biosynthesewege herunterregulieren. Bakterien werden oft im Labor so manipuliert, dass ihnen die Gene fehlen, die für die Synthese einer bestimmten Aminosäure erforderlich sind, wodurch ein selektierbarer Marker für den Erfolg der Transfektion oder die Einführung fremder DNA bereitgestellt wird.

Bei Tieren werden Aminosäuren durch den Verzehr eiweißhaltiger Lebensmittel gewonnen. Aufgenommene Proteine ​​werden durch Verdauung abgebaut, was typischerweise eine Denaturierung des Proteins durch Einwirkung von Säure und einen Abbau durch die Wirkung von Enzymen, den sogenannten Proteasen, beinhaltet. Die Aufnahme essentieller Aminosäuren ist entscheidend für die Gesundheit des Organismus, da die Biosynthese von Proteinen, die diese Aminosäuren enthalten, durch ihre geringe Konzentration gehemmt wird. Aminosäuren sind auch eine wichtige Nahrungsquelle Stickstoff- . Einige aufgenommene Aminosäuren, insbesondere solche, die nicht essentiell sind, werden nicht direkt für die Proteinbiosynthese verwendet. Stattdessen werden sie durch die Glukoneogenese in Kohlenhydrate umgewandelt, die auch unter Hungerbedingungen zur Erzeugung von Glukose aus körpereigenen Proteinen, insbesondere denen in Muskeln, verwendet wird.

Geschichte

Proteine ​​wurden im 18. Jahrhundert von Antoine Fourcroy und anderen als eigenständige Klasse biologischer Moleküle erkannt. Mitglieder dieser Klasse (als 'Albuminoide' bezeichnet, Eiweisskörper , oder albuminoide Materialien ) wurden an ihrer Fähigkeit erkannt, unter verschiedenen Behandlungen wie Hitze oder Säure zu koagulieren oder auszuflocken; Bekannte Beispiele zu Beginn des 19. Jahrhunderts waren Albumin aus Eiweiß, Blutserumalbumin, Fibrin und Weizen Gluten. Die Ähnlichkeit zwischen dem Kochen von Eiweiß und dem Gerinnen von Milch wurde schon in der Antike erkannt; zum Beispiel der Name Eiweiß denn das Eiweißeiweiß wurde von Plinius dem Älteren aus dem Lateinischen geprägt Albus ovi (Eiweiß).

Unter der Beratung von Jöns Jakob Berzelius führte der niederländische Chemiker Gerhardus Johannes Mulder Elementaranalysen gängiger tierischer und pflanzlicher Proteine ​​durch. Zu jedermanns Überraschung hatten alle Proteine ​​​​fast die gleiche Summenformel, ungefähr C 400 H 620 N 100 Ö 120 mit einzelnen Schwefel- und Phosphoratomen. Mulder veröffentlichte seine Ergebnisse in zwei Abhandlungen (1837, 1838) und stellte die Hypothese auf, dass es eine Grundsubstanz ( Grundstoff ) von Proteinen, und dass es von Pflanzen synthetisiert und von Tieren bei der Verdauung von ihnen aufgenommen wurde. Berzelius war ein früher Befürworter dieser Theorie und schlug in einem Brief vom 10. Juli 1838 den Namen 'Protein' für diese Substanz vor

Den Namen Protein, den ich für das organische Oxid von Fibrin und Albumin vorschlage, wollte ich von [dem griechischen Wort] πρωτειος ableiten, weil es der Ur- oder Hauptstoff der Tierernährung zu sein scheint.

Mulder fuhr fort, die Produkte des Proteinabbaus wie die Aminosäure Leucin zu identifizieren, für die er ein (nahezu korrektes) Molekulargewicht von 131 Da fand.

Das von Mulders Analysen vorgeschlagene minimale Molekulargewicht betrug ungefähr 9 kDa, hundertmal größer als andere untersuchte Moleküle. Daher war die chemische Struktur von Proteinen (ihre Primärstruktur) bis 1949, als Fred Sanger sequenzierte, ein aktives Forschungsgebiet Insulin . Die (richtige) Theorie, dass Proteine ​​lineare Polymere von Aminosäuren sind, die durch Peptidbindungen verbunden sind, wurde unabhängig voneinander und gleichzeitig von Franz Hofmeister und Emil Fischer auf derselben Konferenz im Jahr 1902 aufgestellt. Einige Wissenschaftler waren jedoch skeptisch, dass so lange Makromoleküle in Lösung stabil sein könnten . Folglich wurden zahlreiche alternative Theorien der Protein-Primärstruktur vorgeschlagen, z. B. die kolloidale Hypothese, dass Proteine ​​Ansammlungen kleiner Moleküle sind, die Cyclol-Hypothese von Dorothy Wrinch, die Diketopiperazin-Hypothese von Emil Abderhalden und die Pyrrol/Piperidin-Hypothese von Troensgard (1942). . Die meisten dieser Theorien hatten Schwierigkeiten, die Tatsache zu erklären, dass die Verdauung von Proteinen Peptide und Aminosäuren ergab. Schließlich wurde von Theodor Svedberg mithilfe analytischer Ultrazentrifugation gezeigt, dass Proteine ​​Makromoleküle mit genau definierter Zusammensetzung (und keine kolloidalen Mischungen) sind. Die Möglichkeit, dass einige Proteine ​​nicht-kovalente Assoziationen solcher Makromoleküle sind, wurde von Gilbert Smithson Adair (durch Messung des osmotischen Drucks von Hämoglobin) und später von Frederic M. Richards in seinen Studien zur Ribonuklease S. Die Massenspektrometrie von Proteinen gezeigt seit langem eine nützliche Technik zur Identifizierung posttranslationaler Modifikationen und in jüngerer Zeit zur Untersuchung der Proteinstruktur.

Die meisten Proteine ​​lassen sich selbst mit den modernsten Methoden nur schwer in Mengen von mehr als Milligramm aufreinigen. Daher konzentrierten sich frühe Studien auf Proteine, die in großen Mengen gereinigt werden konnten, z. B. solche aus Blut, Eiweiß, verschiedenen Toxinen und Verdauungs-/Stoffwechselenzymen, die aus Schlachthöfen gewonnen wurden. Während dieser Zeit wurden viele Techniken der Proteinreinigung entwickelt Zweiter Weltkrieg in einem von Edwin Joseph Cohn geleiteten Projekt zur Reinigung von Blutproteinen, um Soldaten am Leben zu erhalten. In den späten 1950er Jahren reinigte die Armor Hot Dog Co. 1 kg (= eine Million Milligramm) reine Rinderpankreas-Ribonuklease A und stellte sie Wissenschaftlern auf der ganzen Welt frei zur Verfügung. Diese großzügige Tat machte RNase A für die nächsten Jahrzehnte zum Hauptprotein für die Grundlagenforschung, was zu mehreren Nobelpreisen führte.

Die Untersuchung der Proteinfaltung begann 1910 mit einer berühmten Arbeit von Henrietta Chick und C. J. Martin, in der sie zeigten, dass die Ausflockung eines Proteins aus zwei unterschiedlichen Prozessen besteht: der Ausfällung eines Proteins aus einer Lösung vorangegangen durch einen anderen Prozess namens Denaturierung, bei dem das Protein viel weniger löslich wurde, seine enzymatische Aktivität verlor und chemisch reaktiver wurde. Mitte der 1920er Jahre schlugen Tim Anson und Alfred Mirsky vor, dass Denaturierung ein reversibler Prozess sei, eine korrekte Hypothese, die von einigen Wissenschaftlern zunächst als „das Aufkochen des Eies“ verspottet wurde. Anson schlug auch vor, dass die Denaturierung ein Prozess mit zwei Zuständen ('alles oder nichts') sei, bei dem ein grundlegender molekularer Übergang zu drastischen Änderungen der Löslichkeit, enzymatischen Aktivität und chemischen Reaktivität führte; er stellte ferner fest, dass die Änderungen der freien Energie bei der Denaturierung viel kleiner waren als die, die typischerweise bei chemischen Reaktionen auftreten. 1929 stellte Hsien Wu die Hypothese auf, dass Denaturierung eine Proteinfaltung sei, eine reine Konformationsänderung, die dazu führte, dass Aminosäureseitenketten dem Lösungsmittel ausgesetzt wurden. Gemäß dieser (richtigen) Hypothese machte das Aussetzen von aliphatischen und reaktiven Seitenketten an Lösungsmittel das Protein weniger löslich und reaktiver, während der Verlust einer spezifischen Konformation den Verlust der enzymatischen Aktivität verursachte. Obwohl als plausibel angesehen, wurde Wus Hypothese nicht sofort akzeptiert, da so wenig über Proteinstruktur und Enzymologie bekannt war und andere Faktoren für die Änderungen in der Löslichkeit, enzymatischen Aktivität und chemischen Reaktivität verantwortlich sein könnten. In den frühen 1960er Jahren zeigte Chris Anfinsen, dass die Faltung von Ribonuklease A vollständig reversibel war, ohne dass externe Cofaktoren benötigt wurden, und bestätigte die „thermodynamische Hypothese“ der Proteinfaltung, dass der gefaltete Zustand das globale Minimum an freier Energie für das Protein darstellt.

Der Hypothese der Proteinfaltung folgte die Erforschung der physikalischen Wechselwirkungen, die gefaltete Proteinstrukturen stabilisieren. Die entscheidende Rolle hydrophober Wechselwirkungen wurde von Dorothy Wrinch und Irving Langmuir als Mechanismus angenommen, der ihre Zyklolstrukturen stabilisieren könnte. Obwohl von J. D. Bernal und anderen unterstützt, wurde diese (richtige) Hypothese zusammen mit der Cyclol-Hypothese, die in den 1930er Jahren widerlegt wurde, zurückgewiesen Linus Pauling (unter anderen). Stattdessen vertrat Pauling die Idee, dass die Proteinstruktur hauptsächlich durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird, eine Idee, die ursprünglich von William Astbury (1933) vorgebracht wurde. Bemerkenswerterweise führte Paulings falsche Theorie über H-Bindungen zu seiner Korrekt Modelle für die Sekundärstrukturelemente von Proteinen, die Alpha-Helix und das Beta-Faltblatt. Die hydrophobe Wechselwirkung wurde durch einen berühmten Artikel von Walter Kauzman aus dem Jahr 1959 über Denaturierung, der teilweise auf Arbeiten von Kaj Linderstrom-Lang beruhte, wieder richtig hervorgehoben. Die ionische Natur von Proteinen wurde von Bjerrum, Weber und Arne Tiselius demonstriert, aber Linderstrom-Lang zeigte, dass die Ladungen im Allgemeinen für Lösungsmittel zugänglich und nicht aneinander gebunden sind (1949).

Die Sekundär- und niedrigaufgelöste Tertiärstruktur globulärer Proteine ​​wurde zunächst mit hydrodynamischen Methoden wie analytischer Ultrazentrifugation und Strömungsdoppelbrechung untersucht. In den 1950er Jahren wurden spektroskopische Verfahren zur Sondierung der Proteinstruktur (wie Circulardichroismus, Fluoreszenz, Absorption im nahen Ultraviolett und Infrarot) entwickelt. Die ersten atomar aufgelösten Strukturen von Proteinen wurden in den 1960er Jahren durch Röntgenkristallographie und in den 1980er Jahren durch NMR gelöst. Seit 2006 enthält die Protein Data Bank fast 40.000 Strukturen von Proteinen mit atomarer Auflösung. In jüngerer Zeit sind die Kryoelektronenmikroskopie großer makromolekularer Anordnungen und die rechnerische Proteinstrukturvorhersage kleiner Proteindomänen zwei Methoden, die sich einer atomaren Auflösung nähern.