Proteine: Die molekularen Werkzeuge der Zelle

Proteine sind in fast allen Lebensprozessen beteiligt und haben viele unterschiedliche Aufgaben in unserem Körper.

Proteine (Eiweiße) befinden sich in jeder Zelle und machen den größten Anteil an der organischen Substanz im Körper aus. Sie dienen der Zelle als molekulare "Werkzeuge" und erfüllen je nach ihrer Struktur unterschiedliche Aufgaben in unserem Körper.¹ Sie sind in fast allen Lebensprozessen beteiligt. So dienen sie z.B. als Antikörper unserer Abwehr, als Enzyme ermöglichen sie den Stoffwechsel und als Strukturproteine bauen sie unsere Haut, Knochen und Knorpel auf.²

In unserem Körper werden ständig neue Proteine aufgebaut und alte wieder abgebaut. Die Neubildung von Proteinen nennt man Proteinbiosynthese. Sie besteht aus zwei Schritten, der Transkription und der Translation.³

Der Bauplan für die Proteine befindet sich in der DNA. Gene sind bestimmte Abschnitte auf der DNA, welche während der Proteinsynthese kopiert und zur Herstellung von Proteinen benutzt werden.⁴ In der menschlichen DNA befinden sich etwa 25.500 Gene.⁵

Bei der Transkription wird eine Kopie von einem Gen auf der DNA erzeugt (die sogenannte "Boten-RNA", englisch "messenger RNA", kurz "mRNA"). Dabei werden nur bestimmte Abschnitte des Gens berücksichtigt (Exons) und andere Abschnitte ausgelassen (Introns). Diese mRNA wandert vom Zellkern hinaus zu den Ribosomen.^{6 7}

Bei der Translation wird die mRNA dann in eine Aneinanderreihung von Aminosäuren und damit in ein Protein übersetzt. Dieser Vorgang findet in den Ribosomen statt, also innerhalb der Zelle aber außerhalb des Zellkerns.^{8 9} Die Übersetzung von mRNA in Aminosäuren wird anhand einer bestimmten Übersetzungsvorschrift, dem "genetischen Code" durchgeführt. In diesem genetischen Code ist festgelegt, dass jeweils drei aufeinanderfolgenden Basen (ein "Codon") zu einer bestimmten Aminosäure führen.¹⁰ In der sogenannten "Codesonne" wird schematisch dargestellt, welche Aminosäure aus einer Sequenz von 3 Basen übersetzt wird.¹¹

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Abbildung: Die Codesonne zeigt, welche Aminosäure aus einer Sequenz von 3 Basen übersetzt wird

Bei Proteinen kommt es aber nicht nur auf die Aneinanderreihung von Aminosäuren an (Primärstruktur), sondern auch auf die dreidimensionale Struktur, welche für die biologische Funktion unbedingt erforderlich ist. Bereits während der Translation bilden sich daher aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Aminosäuren bestimmte regelmäßige Strukturelemente (Sekundärstruktur), z.B. die α-Helix oder das β-Faltblatt. Die Aminosäure-Ketten falten sich schließlich noch weiter in eine definierte räumliche Struktur (Tertiärstruktur) und können sich auch noch mit anderen Aminosäure-Ketten vereinigen (Quartärstruktur).¹²

Holger87, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Abbildung: Primärstruktur, Sekundärstruktur, Tertiärstruktur und Quartärstruktur

Die Proteostase-Maschinerie balanciert die Synthese, die Faltung, die Aggregation und den Abbau von Proteinen in unseren Zellen.¹³ Altern und einige altersbedingte Krankheiten sind mit einer beeinträchtigten Proteostase verbunden.¹⁴

Die Faltung von Proteinen zu ihrer endgültigen räumlichen Anordnung ist ein komplexer Prozess und anfällig für Einflüsse von außen. Deshalb kommt es oft zu Fehlern und falsch gefalteten Proteinen, was schwerwiegende Folgen für die Zellen haben kann. Es ist daher wichtig, dass die Zellen über einen eigenen Mechanismus verfügen, um die Ausbildung von korrekten Proteinen zu unterstützen und um fehlerhafte Proteine zu beseitigen.¹⁵ Chaperone (engl. Anstandsdamen) sind Proteine, die neu gebildete Proteine bei der Faltung unterstützen. Die Bezeichnung wurde nach der englischen bzw. französischen Bezeichnung für Anstandsdame gewählt, da sie unreife Proteine vor schädlichen Kontakten bewahren.¹⁶

Studien haben gezeigt, dass sich die Proteostase mit zunehmendem Alter verändert. Wenn ungefaltete Proteine nicht wieder gefaltet oder abgebaut werden, können sie sich ansammeln und aggregieren. Dies trägt zur Entwicklung einiger altersbedingter Krankheiten wie z.B. Alzheimer oder Parkinson bei.¹⁷

Der Verlust der Proteostase ist daher eines der neun "Kennzeichen des Alterns". ¹⁸ Als Lösung wird die Aktivierung von Chaperonen und Protease-Systemen vorgeschlagen. ¹⁹

Es gibt vielversprechende Beispiele für genetische Manipulationen, welche die Proteostase verbessern und das Altern bei Säugetieren verzögern. Insbesondere verzögert die Verabreichung des mTOR-Inhibitors "Rapamycin" mehrere Aspekte des Alterns bei Mäusen.²⁰

• zum Artikel: Rapamycin (mTOR)
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Abbildung: Proteine bilden eine dreidimensionale Struktur (Symbolbild)

1 https://youtu.be/pcJ_b_JP3J4?t=65

2 https://de.wikipedia.org/wiki/Protein

3 https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinbiosynthese

4 https://youtu.be/XmKNN5oePGo?t=203

5 https://www.dw.com/de/20-jahre-entschl%C3%BCsselung-des-menschlichen-genoms/a-53006544

6 https://de.wikipedia.org/wiki/Transkription_(Biologie)

7 https://www.youtube.com/watch?v=Fy_3gpIkoNs

8 https://de.wikipedia.org/wiki/Translation_(Biologie)

9 https://www.youtube.com/watch?v=3wFfj6D0_nQ

10 https://de.wikipedia.org/wiki/Genetischer_Code

11 https://de.wikipedia.org/wiki/Code-Sonne

12 https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinfaltung

13 https://www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=1036473

14 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3836174/

15 https://www.youtube.com/watch?v=SW7CwTxgNnM

16 https://de.wikipedia.org/wiki/Chaperon_(Protein)

17 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3836174/

18 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3836174/#S16title

19 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3836174/#S39title

20 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3836174/