Proteine & Enzyme

Das Wort Protein übernahm 1838 der niederländische Chemiker Gerardus Mulder von Berzelius — vom griechischen prōteios, „von erstrangiger Bedeutung“ — für eine Klasse stickstoffreicher Stoffe, die seiner Ansicht nach eine gemeinsame Zusammensetzung hatten. Mit der Zusammensetzung irrte er, mit der Bedeutung nicht: Proteine sind die molekularen Maschinen, aus denen Leben gebaut ist. Als Enzyme katalysieren sie jede biochemische Reaktion, als Kollagen, Keratin und Aktin geben sie Halt, als Hormone und Rezeptoren übertragen sie Signale, als Antikörper erkennen sie Fremdstoffe, als Hämoglobin und Kinesine transportieren sie Fracht, als Myosin erzeugen sie Bewegung — und sie lesen, kopieren und reparieren das Genom. Aus der Aminosäuresequenz eines Proteins seine dreidimensionale Struktur vorherzusagen — das Proteinfaltungsproblem — galt über weite Strecken des zwanzigsten Jahrhunderts als eine der tiefsten ungelösten Aufgaben der Biologie. 2020 löste DeepMinds AlphaFold 2 sie weitgehend.

Ein Protein ist eine Kette: Aminosäuren aus einem Alphabet von zwanzig, aneinandergereiht in der Reihenfolge, die das Gen vorschreibt. Lässt man diese schlaffe Kette im Wasser los, fällt sie binnen Augenblicken zu einer bestimmten, verwickelten dreidimensionalen Gestalt zusammen — und an der Gestalt hängt alles: Sie entscheidet, ob das Protein andere Moleküle zerschneidet, Sauerstoff befördert oder eine Zelle zusammenhält. Angetrieben wird die Faltung im Wesentlichen von einer schlichten Abneigung: Die wasserscheuen Aminosäuren verkriechen sich nach innen und ziehen die Kette dabei zu einem kompakten Knäuel zusammen; feinere Kräfte modellieren die endgültige Kontur. Die entscheidende Entdeckung gelang Anfinsen um 1960 — die Bauanleitung für die Faltung steht in der Sequenz selbst: Denaturiert man ein Protein und lässt es sich neu falten, findet es in genau dieselbe Gestalt zurück. Im Prinzip müsste also die Sequenz allein die Struktur festlegen. In der Praxis blieb das ein halbes Jahrhundert lang eines der großen ungelösten Probleme der Biologie, denn die Zahl der Gestalten, die eine Kette theoretisch annehmen könnte, ist astronomisch — mehr Anordnungen, als es Atome im Universum gibt —, und an der Aufgabe, daraus die eine richtige Faltung herauszugreifen, scheiterte jedes Verfahren, das man versuchte. Warum es so haargenau auf die Gestalt ankommt, zeigen die Enzyme: Ein arbeitendes Enzym ist eine Faltung, die sich genau um das Molekül schmiegt, an dem es ansetzt, und die den verspannten, flüchtigen Zwischenzustand einer halb abgelaufenen Reaktion abstützt — deshalb kann es einen chemischen Schritt um das Milliardenfache beschleunigen. Und faltet sich ein Protein falsch und verklumpt, wird daraus Verhängnis: Die Plaques und Neurofibrillenbündel bei Alzheimer, die Aggregate bei Parkinson sind fehlgefaltete Proteine, die ihre richtige Gestalt verloren haben.