Proteine

Allgemeines, Aufgaben

Jede Zelle auf diesem Planeten enthält viele hundert verschiedene Proteine, selbst die einfachsten Bakterienzellen. Die Proteine dienen einerseits als Gerüstsubtanz zum Beispiel in der Zellmembran und im Zellskelett, andererseits erfüllen sie als Enzyme, Hormone, Neurotransmitter und so weiter wichtige Aufgaben im Zellstoffwechsel. Im menschlichen Körper kommen ca. 50.000 verschiedene Proteine vor^[1].

Proteine gehöhren neben den Kohlenhydraten und Fetten zu den energieliefernden Nährstoffen. Allerdings ist das nicht ihre eigentliche Aufgabe. Als "Brennstoffe" dienen in erster Linie die Kohlenhydrate und die Fette. Die Proteine in der Nahrung dienen vor allem als Quelle für Aminosäuren, die vom Körper für die Synthese neuer Proteine benötigt werden. Viele Aminosäuren kann der menschliche Körper auch selbst herstellen, allerdings benötigt er dafür neben Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auch Stickstoff und Schwefel. Diese beiden Elemente werden aus den Proteinen gewonnen, die wir mit der Nahrung aufnehmen. Daher werden Proteine in manchen Büchern auch als "Baustoffe" bezeichnet.

Aufgaben der Proteine im menschlichen Körper:

• Strukturproteine, z. B. Kollagen (Sehnen und Muskeln) und Kreatin (Haare, Nägel)
• Speicherproteine, zum Beispiel Gluten, Phaseolin, Ferritin oder Casein.
• Bewegungsproteine, z. B. Actin und Myosin (Skelettmuskeln)
• Enzyme, z. B. Alkoholdehydrogenase (Magen, Leber) oder Amylase (Speichel)
• Hormone, z. B. Insulin (Bauchspeicheldrüse)
• Transportproteine, z. B. Hämoglobin (Blut) oder Glucose-Transporter (Zellmembran)
• Ionenkanäle z. B. Na⁺-, K⁺-, Cl^-- oder Ca²⁺-Kanäle (Zellmembran)
• Antikörper in der Immunabwehr (Blut, Lymphe)
• Rezeptoren, zum Beispiel Hormonrezeptoren, Chemorezeptoren (Riechschleimhaut, Zunge), Rezeptoren für Neurotransmitter (Nervenzellen), Rhodopsin (Zellen der Netzhaut).

Kleinere Ketten aus Aminosäuren, die weniger als 100 Bausteine enthalten, werden als Peptide bezeichnet. Dabei unterscheidet man noch einmal zwischen Oligoeptiden mit 2 bis 10 Bausteinen und Polypeptiden, die aus bis zu 100 Aminosäuren zusammengesetzt sind. Solche Peptide haben ebenfalls vielfältige Aufgaben in unserem Körper.

Aufgaben der Peptide im menschlichen Körper:

• Hormone, z. B. Insulin und Glucagon (Bauchspeicheldrüse)
• Neurotransmitter, zum Beispiel Endorphine, Enkephaline
• weitere Funktionen, zum Beispiel Glutathion, ein Tripeptid, das bei der Bekämpfung von Oxidantien eine Rolle spiel.

Grundsätzlicher Aufbau

Die Bausteine der Proteine sind Aminosäuren, von denen es im Prinzip viele verschiedene gibt. In den Proteinen der meisten Lebewesen kommen allerdings nur 20 verschiedene Aminosäuren vor. Diese 20 Aminosäuren werden auch als biogene Aminosäuren bezeichnet.

Die meisten Proteine sind aus über 1000 dieser Bausteine zusammengesetzt. Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein wird als Amionsäure-Sequenz oder Primärstruktur bezeichnet.

Innerhalb einer solchen Primärstruktur ziehen sich die Aminosäuren gegenseitig an (Wasserstoffbrücken-Bindungen), daraus resultieren dann verschiedene Sekundärstrukturen. Bei der alpha-Helix-Struktur winden sich die Aminosäuren spiralförmig auf, und bei der beta-Faltblatt-Struktur bilden die Aminosäuren zickzack-förmige Abschnitte.

Die gesamte räumliche Struktur eines Proteins wird auch als Tertiärstruktur bezeichnet. Innerhalb dieser Tertiärstruktur finden sich dann mehrere alpha-Helices und beta-Faltblätter, also Bereiche mit Sekundärstrukturen.

Die Tertiärstruktur eines kleinen Proteins.
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_structure (public domain)

In diesem Bild sehen wir ein kleines Protein, dessen Tertiärstruktur zwei alpha-Helix-Bereiche (grüne Spiralen) und mehrere beta-Faltblatt-Bereiche (rote Pfeile) enthält. Die grauen "Schnüre" sind ungeordnete Bereiche aus jeweils 10 bis 30 Aminosäuren. Die einzelnen Aminosäuren kann man in diesem Bild nicht sehen.

Proteine in der Nahrung

Der menschliche Körper enthält ca. 50.000 verschiedener Proteine, die sogenannten körpereigenen Proteine. Welche Aufgaben diese Proteine haben, ist bereits weiter oben aufgelistet worden. Die Zellen des Körpers stellen diese Proteine an ihren Ribosomen her, indem sie die einzelnen Aminosäuren zusammensetzen (siehe Grundprinzip der Proteinsynthese). Die Anweisungen, in welcher Reihenfolge die Aminosäuren zusammengesetzt werden müssen, erhalten die Ribosomen von der Steuerzentrale der Zelle, dem Zellkern, in Form der Boten-RNA (mRNA). Vereinfacht kann man sagen, dass für jedes Protein, das die Zelle produziert, ein eigenes Gen auf der DNA verantwortlich ist (Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese; inzwischen aber veraltet).

Die benötigten Aminosäuren für diese Proteinsynthese müssen aus der Nahrung aufgenommen werden. Einige einfache Aminosäuren können die Zellen aus Kohlenhydraten oder Fetten herstellen. Andere Aminosäuren müssen aber direkt mit der Nahrung aufgenommen werden, weil die Zellen sie nicht selbst herstellen können. Diese Aminosäuren werden als essentielle Aminosäuren bezeichnet.

Wenn wir eine proteinreiche Mahlzeit essen, werden die Proteine in unserem Verdauungssystem (Magen, Dünndarm) in die einzelnen Aminosäuren zerlegt. Die Aminosäuren werden in den Blutkreislauf übernommen und dann zu den einzelnen Zellen transportiert. Dort stehen sie dann für die Proteinsynthese an den Ribosomen bereit. Fehlen einfache Aminosäuren wie beispielsweise Glycin, so kann der Körper diese selbst herstellen. Fehlen dagegen essentielle Aminosäuren, so können die Proteine, welche diese Aminosäuren benötigen, nicht hergestellt werden. Darum sind die essentiellen Aminosäuren, zum Beispiel Lysin, in unserer Nahrung besonders wichtig. Man spricht auch von der biologischen Wertigkeit eines Nahrungsprotein. Biologisch hochwertige Nahrungsproteine enthalten viele essentielle Aminosäuren. Hühnerei-Protein ist hierfür ein gutes Beispiel. Andere Proteine enthalten nur sehr wenige essentielle Aminosäuren, sie haben dann eine geringe biologische Wertigkeit.

Proteinreiche tierische Nahrungsmittel sind Eier, Milch, Fisch und Fleisch, proteinreiche pflanzliche Nahrungsmittel sind Hülsenfrüchte (Bohnen, Erbsen, Linsen, Soja).

Lernfahrplan "Proteine"

Das Thema "Proteine" wird bereits im Biologie-Kurs der Stufe EF sehr ausführlich behandelt, und auf diese Seiten sollten Sie hier auch zugreifen, denn ohne grundlegende Biologie-Kenntnisse kann man keine Ernährungslehre betreiben.

Auf der Seite "Proteine sind Makromoleküle" finden Sie einige grundlegende Definitionen. Die Begriffe Monomer, Dipeptid, Tripeptid, Oligopeptid, Polypeptid und Protein werden kurz definiert.

Proteine bestehen aus vielen 100 bis über 1000 Aminosäuren. Der Aufbau der einfachsten Aminosäure wird Ihnen auf der Seite "Glycin" erklärt. Auf der Seite "Aminosäuren" finden Sie wichtige Informationen über die anderen 19 Aminosäuren. Die Seite "Eigenschaften der Aminosäuren" vermittelt Ihnen wichtige Grundkenntnisse über die Aminogruppe und die Carboxylgruppe der Aminosäuren.

Dann geht es weiter mit Peptiden. Darunter versteht man Moleküle, die aus mehreren Aminosäuren zusammengesetzt sind. Dipeptide beispielsweise bestehen aus zwei Aminosäuren, Tripeptide aus deren drei. Auf der Seite "Peptide" erfahren Sie mehr darüber.

Die Begriffe Primärstruktur, Sekundärstruktur und Tertiärstruktur wurden schon in der Einleitung weiter oben erwähnt. Einzelheiten dazu finden Sie auf den Seiten "Primärstruktur", "Sekundärstruktur" und "Tertiärstruktur".

Die Tertiärstruktur kann durch verschiedene Faktoren wie Temperatur und pH-Wert beeinflusst werden. Das Braten eines Spiegeleis verändert beispielsweise die Tertiärstruktur der Hüherei-Proteine. Wenn Milch sauer wird und ausflockt, verändert sich die Tertiärstruktur der Milchproteine. Einzelheiten hierzu finden Sie auf der Seite "Was hält die Tertiärstruktur zusammen?". Hier und auf der Seite "Beeinflussung der Tertiärstruktur" wird auch der wichtige Begriff der Denaturierung behandelt.

Damit wäre der biochemische Teil des Themas "Proteine" so gut wie behandelt, und wenn Sie alles durchgearbeitet haben, wissen Sie wahrscheinlich mehr als manche Schüler des Biologie-Kurses.