Proteine & Enzyme

1838 prägte der niederländische Chemiker Gerardus Mulder das Wort Protein (vom griechischen prōteios, „von erstrangiger Bedeutung“) für eine Klasse stickstoffreicher Substanzen, von denen er meinte, sie hätten eine gemeinsame Zusammensetzung. Bei der Zusammensetzung lag er falsch, bei der Bedeutung richtig: Proteine sind die molekularen Maschinen, aus denen Leben gebaut ist — sie katalysieren als Enzyme jede biochemische Reaktion, geben Struktur (Kollagen, Keratin, Aktin), übertragen Signale (Hormone, Rezeptoren), erkennen Fremdstoffe (Antikörper), transportieren Fracht (Hämoglobin, Kinesine), erzeugen Bewegung (Myosin) und lesen, kopieren und reparieren das Genom. Über den größten Teil des zwanzigsten Jahrhunderts galt das Vorhersagen der dreidimensionalen Struktur eines Proteins aus seiner Aminosäuresequenz — das Proteinfaltungsproblem — als eine der tiefsten ungelösten Aufgaben der Biologie. 2020 hat DeepMinds AlphaFold 2 sie weitgehend gelöst.

Ein Protein ist eine Kette — eine Abfolge von Aminosäuren aus einem Alphabet von zwanzig, verknüpft in der Reihenfolge, die das Gen vorgibt. Im Wasser sich selbst überlassen, fällt diese schlaffe Kette binnen Augenblicken zu einer bestimmten, verwickelten dreidimensionalen Gestalt zusammen, und die Gestalt ist alles: Sie entscheidet, ob das Protein andere Moleküle zerschneidet, Sauerstoff trägt oder eine Zelle zusammenschnürt. Angetrieben wird die Faltung vor allem von einer schlichten Abneigung — die Aminosäuren, die das Wasser meiden, vergraben sich im Inneren und ziehen die Kette zu einem kompakten Knäuel zusammen, während feinere Kräfte die endgültige Kontur nachjustieren. Die entscheidende Entdeckung, die Anfinsen um 1960 machte, ist, dass die Anweisung für die Faltung in der Sequenz selbst geschrieben steht: Entwirrt man ein Protein und lässt es sich neu falten, findet es genau in dieselbe Gestalt zurück. Im Grunde sollte also die Sequenz allein die Struktur festlegen. In der Praxis blieb dies 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 die eine richtige Faltung herauszugreifen, überwand jedes erprobte Verfahren. Enzyme zeigen, warum die Gestalt so ausgesucht wichtig ist: Ein arbeitendes Enzym ist eine Faltung, geformt, um genau das Molekül zu umschließen, an dem es wirkt, und um die verspannte, flüchtige Anordnung einer mitten im Verlauf eingefangenen Reaktion zu stützen — so kann es einen chemischen Schritt um das Milliardenfache beschleunigen. Und faltet sich ein Protein falsch und verklumpt, ist die Folge Verhängnis — die Plaques und Fibrillen bei Alzheimer, die Aggregate bei Parkinson sind fehlgefaltete Proteine, die ihre richtige Gestalt verloren haben.