EinProtein, umgangssprachlichEiweiß (veraltetEiweißstoff) genannt, ist ein biologischesMakromolekül, das ausAminosäuren aufgebaut wird, die durchPeptidbindungen verknüpft sind.

Proteine finden sich in jederZelle und machen zumeist mehr als die Hälfte des Trockengewichts aus.^[1] Sie dienen ihr als molekulare „Werkzeuge“ und erfüllen je nach der besonderen Struktur unterschiedliche Aufgaben, indem sie beispielsweiseZellbewegungen ermöglichen,Metabolite transportieren,Ionen pumpen, chemische Reaktionenkatalysieren oderSignalstoffe erkennen können. Überwiegend aus Proteinen bestehen so auch Muskeln, Herz, Hirn, Haut und Haare.

Die Gesamtheit aller Proteine in einemLebewesen, einemGewebe, einerZelle oder einemZellkompartiment, unter exakt definierten Bedingungen und zu einem bestimmten Zeitpunkt, wird alsProteom bezeichnet.

Das WortProtein wurde erstmals 1839 in einer Veröffentlichung^[2] vonGerardus Johannes Mulder benutzt. Diese Bezeichnung wurde ihm 1838 vonJöns Jakob Berzelius vorgeschlagen, der sie von demgriechischen Wortπρωτεῖοςproteios für „grundlegend“ und „vorrangig“, basierend aufπρῶτοςprotos für „Erster, Vorderster“ oder „Vorrangiger“, abgeleitet hatte. Dahinter stand die irrtümliche Idee, dass alle Proteine auf einer gemeinsamen Grundsubstanz basieren.^[3] Daraus entstand ein heftiger Streit mitJustus von Liebig.

Dass Proteine aus Aminosäurenketten über Peptidbindungen aufgebaut sind, wurde zuerst 1902 auf der 14. Versammlung deutscher Naturforscher und Ärzte unabhängig vonEmil Fischer undFranz Hofmeister, die beide Vorträge hielten, vermutet. Fischer führte dabei den BegriffPeptid ein.^[4]

Bausteine der Proteine sind bestimmte als proteinogen, also proteinaufbauend, bezeichneteAminosäuren, die durchPeptidbindungen zu Ketten verbunden sind. Beim Menschen handelt es sich um 21 verschiedene Aminosäuren – den 20 seit langem bekannten sowieSelenocystein. Auf acht Aminosäuren ist der menschliche Organismus besonders angewiesen, denn sie sindessenziell, was bedeutet, dass der Körper sie nicht selbst herstellen kann, sondern mit der Nahrung aufnehmen muss. Die Aminosäureketten können eine Länge von bis zu mehreren tausend Aminosäuren haben, wobei man Aminosäureketten mit einer Länge von unter ca. 100 Aminosäuren alsPeptide bezeichnet und erst ab einer größeren Kettenlänge von Proteinen spricht. Die molekulare Größe eines Proteins wird in der Regel inKilo-Dalton (kDa) angegeben.Titin, das mit ca. 3600 kDa größte bekannte menschliche Protein, besteht aus über 30.000 Aminosäuren und beinhaltet 320Proteindomänen.

DieAminosäurensequenz eines Proteins – und damit sein Aufbau – ist in derDesoxyribonukleinsäure (DNA) codiert. Der dazu verwendetegenetische Code hat sich während derEvolution der Lebewesen kaum verändert. In denRibosomen, der „Proteinproduktionsmaschinerie“ der Zelle, wird diese Information verwendet, um aus einzelnen Aminosäuren einePolypeptidkette zusammenzusetzen, wobei die je von einemCodon bestimmten Aminosäuren in der von DNA vorgegebenen Reihenfolge verknüpft werden. Erst mit derFaltung dieser Kette im wässrigen Zellmilieu entsteht dann die dreidimensionale Form eines bestimmten Proteinmoleküls.

Dashaploide humaneGenom enthält rund 20.350 Protein-codierende Gene – viel weniger, als vor derSequenzierung des Genoms angenommen.^[5] Tatsächlich codieren nur etwa 1,5 % der gesamten genomischen DNA für Proteine, während der Rest aus Genen fürnon-coding RNA, sowieIntrons, regulatorischer DNA undnichtcodierenden Desoxyribonukleinsäuren besteht.^[6] Da viele der Protein-codierenden Gene – etwa durchalternatives Splicing des Primärtranskripts (Präkursor-mRNA) eines Gens – mehr als ein Protein produzieren, kommen im menschlichen Körper weit mehr als nur 20.350 verschiedene Proteine vor. Darüber hinaus kennt man heute Proteine, deren Bildung aufExons von Genen oder Gensegmenten in räumlich weit entfernten Chromosomregionen, mitunter sogar unterschiedlichenChromosomen, zurückgeht.^[7] Mithin ist die traditionelleEin-Gen-ein-Enzym-Hypothese (auch: Ein-Gen-einemRNA-ein-Protein-Hypothese) für höhereOrganismen heute nicht mehr haltbar.^[8][9]

KleinePeptide werden alsOligopeptide bezeichnet, wobeiDipeptide nur aus zweiAminosäuren aufgebaut sind, Tripeptide aus drei, Tetrapeptide aus vier Aminosäuren etc. Größere Peptide mit mehr als zehn Aminosäuren werdenPolypeptide genannt. Die meisten Proteine sind Ketten von 100 bis 300 Aminosäuren, selten haben sie über tausend (siehe Balkengrafik). Das größte bekannte Protein besteht aus einer Kette von über 30.000 peptidisch verknüpften Aminosäuren und ist inMuskelzellen zu finden:Titin.

Proteine brauchen für ihre Funktion eine gewisse Größe. So können Oligopeptide als Signalstoffe – etwa alsHormon oder alsNeurotransmitter – eingesetzt werden, für eineEnzymfunktion sind aber meist mehr als 50 Aminosäuren nötig. Unbegrenzt viele Aminosäuren kann ein Protein schon deshalb nicht enthalten, da nur eine begrenzte Menge Aminosäuren zur Verfügung steht. Zudem hängt die Dauer für den Zusammenbau einer Aminosäurenkette ab von der Anzahl der Aminosäuren (sieheProteinbiosynthese).

Die räumliche Struktur bedingt die Wirkungsweise der Proteine. DieProteinstruktur lässt sich auf vier Betrachtungsebenen beschreiben:

• AlsPrimärstruktur eines Proteins wird die Abfolge (Sequenz) der einzelnen Aminosäuren einer Polypeptidkette bezeichnet. Vereinfacht gesagt, könnte man sich eine Kette vorstellen, in der jedes Kettenglied eine Aminosäure darstellt (Schreibweise vom Amino/N- zum Carboxy/C-Terminus: AS₁–AS₂–AS₃–AS₄- …). Die Primärstruktur beschreibt lediglich dieAminosäurensequenz, jedoch nicht den räumlichen Aufbau des Proteins. Hierzu gehört auch dieSignalsequenz.
• AlsSekundärstruktur wird die Zusammensetzung des Proteins aus besonders häufig auftretenden Motiven für die räumliche Anordnung der Aminosäuren bezeichnet. Man unterscheidet dabei zwischen folgenden Strukturtypen:α-Helix,β-Faltblatt,β-Schleife,β-Helix und ungeordnete, so genannteRandom-Coil-Strukturen. Diese Strukturen ergeben sich durchWasserstoffbrückenbindungen zwischen den Peptidbindungen des Polypeptid-Rückgrates. Jede Aminosäure in einem Protein hat charakteristische Winkel zwischen den einzelnen Atomen des Rückgrates (Diederwinkel). Den Winkel (N-terminal) vor dem C-Atom mit der Seitenkette einer Aminosäure bezeichnet man als φ-Winkel, den danach als ψ-Winkel. Diese können, mit einer Nummerierung versehen, in einemRamachandran-Plot gegeneinander aufgetragen werden, um Sekundärstrukturen anzuzeigen. Alternativ kann einJanin-Plot verwendet werden.
• DieTertiärstruktur ist die der Sekundärstruktur übergeordnete räumliche Anordnung der Polypeptidkette. Sie wird von den Kräften und Bindungen zwischen den Resten (d. h. den Seitenketten) derAminosäuren bestimmt. Als Bindungskräfte, die diese dreidimensionale Struktur stabilisieren, wirken beispielsweiseDisulfidbrücken, (kovalente Bindungen zwischen den Schwefelatomen zweierCysteinreste) oder vor allem nicht-kovalente Wechselwirkungen wie die zuvor genanntenWasserstoffbrückenbindungen. Zusätzlich spielenhydrophobe,ionische undVan-der-Waals-Kräfte eine wichtige Rolle. Durch diese Kräfte und Bindungen faltet sich das Protein weiter.
• Viele Proteine müssen sich, um funktionsfähig sein zu können, zu einemProteinkomplex zusammenlagern, der so genanntenQuartärstruktur. Dies kann entweder eine Zusammenlagerung von unterschiedlichen Proteinen sein oder ein Verband aus zwei oder mehr Polypeptidketten, die aus ein und derselben Polypeptidkette, dem Vorläuferprotein (engl.Precursor) hervorgegangen sind (vgl.:Insulin). Als Vorläuferproteine bezeichnet man die Prä- (mit noch zu proteolysierenden Signal- oder Aktivierungssequenzen) und die Präproproteine (mit noch zu proteolysierenden Signal- und Aktivierungssequenzen). Dabei sind die einzelnen Proteine häufig durch Wasserstoffbrücken undSalzbrücken aber auch durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft. Die einzelnen Untereinheiten eines solchen Komplexes werden alsProtomere bezeichnet. Einige Protomere können ihre Funktion auch als eigenständige Proteine besitzen, aber viele erreichen ihre Funktionalität nur im Komplex. Als Beispiel für aus mehreren Proteinen zusammengelagerte Komplexe können dieImmunglobuline (Antikörper) dienen, bei denen jeweils zwei identische schwere und zwei identische leichte Proteine über insgesamt vierDisulfidbrücken zu einem funktionsfähigen Antikörper verbunden sind.
• Einige Proteine ordnen sich noch in einer über die Quartärstruktur hinausgehenden, molekular aber bereits ebenso prädeterminierten „Überstruktur“ oder „Suprastruktur“ an, wieKollagen in der Kollagenfibrille oderAktin,Myosin undTitin imSarkomer.

Die Einteilung in Primär- bis Quartärstruktur erleichtert das Verständnis und die Beschreibung der Faltung von Proteinen. Unter physiologischen Bedingungen faltet eine definierte Primärstruktur zu einer bestimmten Tertiärstruktur auf. Anders gesagt: Der Gehalt an Information, der schon in der Primärstruktur als lineareAminosäuresequenz enthalten ist, äußert sich in Gestalt einer bestimmten dreidimensional formierten Proteinstruktur.

Für diese Faltung der Polypeptidkette in die charakteristische dreidimensionale Form des nativen Proteins sind aber besondere Umgebungsbedingungen erforderlich – so unter anderem ein wässriges Medium, einpH-Wert in einem bestimmten engen Bereich, eine Temperatur innerhalb gewisser Grenzen. Sie werden erfüllt im Milieu der Zelle innerhalb derenMembran. Dennoch würden viele komplexe Proteine nicht spontan zu jener Strukturfalten, die in der Zelle funktionstragend ist, sondern brauchen dazu Faltungshelfer, sogenannteChaperone. Die Chaperone binden an neugebildete (naszierende) Polypeptide – oder denaturierte bzw. beschädigte Aminosäureketten – und verhelfen ihnen unter Verbrauch chemischer Energie zur physiologisch funktionellen Struktur.

Man kann Proteine nach der äußeren Form in zwei Hauptgruppen einteilen:

• dieglobulären Proteine, deren Tertiär- oder Quartärstruktur annähernd kugel- oder birnenförmig aussieht und die meist in Wasser oder Salzlösungen gut löslich sind (beispielsweise das Protein desEiklars,Ov-Albumin genannt),
• diefibrillären Proteine, die eine fadenförmige oder faserige Struktur besitzen, meist unlöslich sind und zu den Stütz- und Gerüstsubstanzen gehören (beispielsweise dieKeratine in den Haaren und Fingernägeln,Kollagen,Aktin undMyosin für dieMuskelkontraktion).

Weiterhin werden Proteine nach ihrer Zusammensetzung eingeteilt, z. B. beikonjugierten Proteinen. Daneben ist auch eine Einteilung nach der Funktion möglich, z. B.Strukturproteine.

Vereinfachend wird stellvertretend für die komplexe Proteinstruktur oft nur das Rückgrat (Backbone) des Proteins abgebildet (z. B. Abbildungen rechts oben). Zum Verständnis der Funktion ist jedoch die Oberfläche des Proteins von großer Bedeutung. Da die Seitenketten der Aminosäuren vom Rückgrat aus in den Raum ragen, tragen auch sie entscheidend zur Struktur bei: Der Verlauf des Rückgrats bestimmt den generellen dreidimensionalen Aufbau, aber die Konturen der Oberfläche und die biochemischen Eigenschaften des Proteins werden von den Seitenketten bestimmt.

Zum besseren Verständnis von Aufbau und Funktion ist es unerlässlich, die räumliche Gestalt von Proteinen mithilfe geeigneter Grafikprogramme darzustellen.

Das meistverbreitete Dateiformat für Atompositionsdaten von Proteinen ist das PDB-Format der freizugänglichenProtein Data Bank. Eine PDB-Datei enthält zeilenweise Einträge für jedesAtom im Protein, sortiert nach der Aminosäuresequenz; im einfachsten Fall sind das Atomart und kartesische Koordinaten. Es handelt sich also um ein systemunabhängiges Klartext-Format. Auf Basis dieser Datei kann dann z. B. inJmol die 3D-Struktur dargestellt werden. Ist die natürliche 3D-Struktur noch nicht ermittelt, hilft nur noch dieProteinstrukturvorhersage.

Die Aufreinigung und Anreicherung von Proteinen aus biologischem Material ist ein wichtiger Schritt in derbiochemischen Identifikation und Charakterisierung von neu entdeckten Proteinen.

In derBiotechnologie und dort besonders beirekombinanten Proteinen ist die reproduzierbare, sorgfältige Proteinreinigung – meist in großem Maßstab – eine wichtige Voraussetzung zur Verwendung dieser Proteine in derDiagnostik oderTherapie.

Folgende Nachweise, die keine Absolutmessungen darstellen und alle ihre Limitationen haben (z. B. Fehlmessungen durch interferierende Substanzen; Bezug auf ein bestimmtesStandardprotein etc.), dienen zur Quantifizierung von Proteinen:

• UV-Absorption
• Xanthoproteinreaktion
• Millon-Reaktion
• Ninhydrinreaktion
• Biuretreaktion
• Bradford-Test
• Lowry-Test
• BCA-Test
• Folin-Reagenz
• Aminosäureanalyse

Der Nachweis der Identität eines Proteins kann über vielfältige Methoden erfolgen. Auch kann ein indirekter Nachweis über andere Eigenschaften als die Primärstruktur erfolgen, welche jedoch aus ihr folgen, z. B. über die Anwesenheit seiner Funktion (Enzymkinetik) im Probengefäß oder überimmunologische Eigenschaften, die unter anderem in einemWestern Blot verwendet werden.

Sowohl durch chemische Einflüsse, wie zum BeispielSäuren,Salze oder organischeLösungsmittel, als auch durch physikalische Einwirkungen, wie hohe oder tiefe Temperaturen oder auch Druck, können sich die Sekundär- und Tertiärstruktur und damit auch die Quartärstruktur von Proteinen ändern, ohne dass sich die Reihenfolge der Aminosäuren (Primärstruktur) ändert. Dieser Vorgang heißt Denaturierung und ist in der Regel nicht umkehrbar, das heißt, der ursprüngliche dreidimensionale räumliche Aufbau kann ohne Hilfe nicht wiederhergestellt werden. Bekanntestes Beispiel dafür ist dasEiklar im Hühnerei, das beim Kochen fest wird, weil sich der räumliche Aufbau der Proteinmoleküle geändert hat. Der ursprüngliche flüssige Zustand kann nicht mehr hergestellt werden.

Das Wiederherstellen des ursprünglichen Zustandes des denaturierten Proteins heißt Renaturieren.

Mit der Kontrolle über das Feuer wurde Menschen auch das Kochen möglich, womit nicht zuletzt Speisen bekömmlicher und leicht verdaulich zubereitet werden können. Durch Denaturierung beim Erhitzen ändern sich die physikalischen und physiologischen Eigenschaften von Proteinen, etwa beim Spiegelei, das durch die Hitze in der Pfanne verändert wird. Auch sehr hohesFieber kann oberhalb einer gewissen Temperatur körpereigene Proteine denaturieren. Diese Proteine können ihre Aufgaben im Organismus dann nicht mehr erfüllen, was für den Menschen lebensgefährlich werden kann.

Einige Proteine derroten Blutkörperchen denaturieren beispielsweise bereits bei 42 °C. Dergeregelte Fieberanstieg bleibt daher unterhalb solcher Temperaturen. Die Erhöhung der Körpertemperatur beim Fieber bedeutet eine Beschleunigung der Stoffwechselprozesse (sieheRGT-Regel) und erlaubt damit dem Abwehrsystem raschere Reaktionen. Dieses Fieber wird vom Körper selber erzeugt (siehePyrogen), um sich besser gegen eingedrungene Erreger oder Fremdkörper (siehe auchAntigen) wehren zu können. Viele der körperfremden Proteine denaturieren schon bei geringeren Temperaturen als die körpereigenen.

Die durchhydrolytische Spaltung der Proteinketten (Proteolyse) entstehenden Teilstücke sind ein Gemisch ausPeptiden undAminosäuren; sind diese unterkatalytischer Wirkung vonPepsin entstanden, nennt man siePepton, im Falle vonTrypsinTrypton.

Durchreaktive Sauerstoffspezies können Proteine oxidiert werden. Dieser Vorgang heißtProteinoxidation und spielt bei der Alterung und einer Reihe von pathologischen Prozessen eine wichtige Rolle. Die Oxidation kann einen weitgehenden Funktionsverlust bedeuten und zur Ansammlung von degenerierten Proteinen in der Zelle führen.^[10]

Proteine können imOrganismus folgende, sehr spezielle Funktionen haben:

• Schutz, Verteidigung gegen Mikroorganismen
  • Antikörper (extern und intern) dienen zur Abwehr vonInfektionen.
• Beutefang
  • Toxine führen zur Lähmung von Beutetieren, z. B. beiSchlangen, beiSkorpionen und (durchConotoxine) beiKegelschnecken.
• Körperstruktur, Bewegung
  • Kollagene, die bis zu¹/₃ des gesamten Körperproteins ausmachen können, sind Strukturproteine der Haut, des Bindegewebes und der Knochen. AlsStrukturproteine bestimmen sie den Aufbau derZelle und damit letztlich die Beschaffenheit derGewebe und des gesamten Körperbaus.
  • In den Muskeln verändernMyosine undAktine ihre Form und sorgen dadurch für Muskelkontraktion und damit für Bewegung.
  • Keratinstrukturen wie Haare/Wolle, Hörner, Nägel/Klauen, Schnäbel, Schuppen und Federn
  • Seidenfäden bei Spinnen und Insekten
• Stoffumsatz (hierProteinmetabolismus^[11]), Transport, Signalfunktion
  • Enzyme übernehmenBiokatalysefunktionen, d. h., sie ermöglichen und kontrollieren sehr spezifische (bio)chemische Reaktionen in Lebewesen.
  • AlsIonenkanäleregulieren Proteine die Ionenkonzentration in derZelle, und damit derenosmotischeHomöostase sowie dieErregbarkeit von Nerven undMuskeln.
  • AlsTransportproteine übernehmen sie den Transport körperwichtiger Substanzen wie z. B.Hämoglobin, das imBlut für denSauerstofftransport zuständig ist, oderTransferrin, das Eisen im Blut transportiert.
  • In Zellmembranen befinden sichMembranrezeptoren; meist Komplexe aus mehreren Proteinen (auchMultiproteinkomplexe genannt), die Substanzen außerhalb der Zelle erkennen und binden. Dadurch ergibt sich eine Konformationsänderung, die dann als Transmembransignal im Innern der Zelle erkannt wird.
  • Adapterproteine verbinden vorübergehend mehrere andere Proteine, wodurch eineSignaltransduktion entstehen kann
  • Manche (meist kleinere Proteine) steuern alsHormone Vorgänge im Körper.
  • AlsBlutgerinnungsfaktoren verhindern die Proteine einerseits einen zu starken Blutverlust bei einer Verletzung eines Blutgefäßes und andererseits eine zu starke Gerinnungsreaktion mit Blockierung des Gefäßes.
  • Auto-fluoreszierende Proteine in Quallen.
• Reservestoff
  • AlsReservestoff kann der Körper Proteine im Hungerzustand als Energielieferanten verwenden. Dabei können die in Leber, Milz und Muskeln gespeicherten Proteine nachProteolyse und Abbau der entstehenden Aminosäuren zuPyruvat entweder zurGlukoneogenese oder direkt zur Energiegewinnung genutzt werden.

Mutationen in einem bestimmtenGen können potentiell Veränderungen im Aufbau des entsprechenden Proteins verursachen, woraus sich folgende mögliche Auswirkungen auf die Funktion ergeben:

• Die Mutation bewirkt einen Verlust in der Proteinfunktion; solche Fehler mit teils vollständigem Wegfall der Proteinaktivität liegen vielenerblichen Krankheiten zugrunde.
• Die Mutation bewirkt bei einem Enzym die Erhöhung der Enzymaktivität. Dies kann vorteilhafte Wirkung haben oder ebenfalls zu einer Erbkrankheit führen.
• Trotz der Mutation bleibt die Funktion des Proteins erhalten. Dies wird alsstille Mutation bezeichnet.
• Die Mutation bewirkt eine funktionelle Veränderung, die vorteilhaft für die Zelle, das Organ oder den Organismus ist. Ein Beispiel wäre ein Transmembranprotein, das vor der Mutation nur in der Lage ist, denstoffwechselbarenMetaboliten A aufzunehmen, während nach der Mutation auch der Metabolit B regulierbar aufgenommen werden kann und sich dadurch z. B. die Nahrungsmittelvielfalt erhöht.

Proteine erfüllen im menschlichen Körper zahlreiche Aufgaben und sind für alle Organfunktionen von Bedeutung, insbesondere bei der Heilung von Wunden und Krankheiten. Zum Aufbau, zum Erhalt und zur Erneuerung derKörperzellen brauchen Menschen eine Nahrung, die Protein enthält. Bezogen auf dasKörpergewicht (KG) ist der Bedarf in den Wachstumsphasen zu Lebensbeginn am höchsten.

Im ersten Lebensmonat sollte der Säugling täglich eine Proteinmenge von etwa 2,5 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht (g/kg KG) aufnehmen, gegen Ende des ersten Lebensjahrs genügen etwa 1,3 g/kg KG.^[12] Ab dem zweiten Lebensjahr empfiehlt dieDeutsche Gesellschaft für Ernährung für die tägliche Aufnahme von Protein mit der Nahrung lebensaltersabhängige Referenzwerte zwischen 1,0 und 0,8 g/kg. Bei Kleinkindern (1,0) ist der Bedarf höher als bei älteren Kindern und Jugendlichen (0,9), bei jüngeren Erwachsene (0,8) niedriger als bei über 65 Jahre alten (geschätzt 1,0) – jeweils bezogen auf das Normalgewicht, nicht das tatsächliche Körpergewicht. Übergewichtige brauchen nicht mehr als normalgewichtige Menschen. Dagegen ist bei schwangeren Frauen der Bedarf um circa 20 % erhöht (1,0), bei stillenden liegt er noch höher (1,2).^[12] Es gibt jedoch eineÜbersichtsarbeit von 2010, die auch in einem Bericht einer Expertenkommission derErnährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (2013) Beachtung fand,^[13] welche den Tagesproteinbedarf für durchschnittliche Erwachsene mit 0,91–1,2 g/kg KG deutlich höher einschätzt.^[14] Bei körperlicher Aktivität steigt der Bedarf an Protein laut DGE nicht an.^[15] Eine Nierenschädigung aufgrund erhöhten Eiweißkonsums wurde mehrmals in Langzeitstudien widerlegt.^[16]

Das mit der Nahrung aufgenommene Protein wird in Magen und Darmverdaut, in kleinere Bestandteile zerlegt und in Bausteine aufgespalten. Zellen der Darmschleimhautresorbieren diese und geben die einzelnenAminosäuren in die (portale) Blutbahn ab, die zur Leber führt. Der menschliche Organismus kann einige der Aminosäuren nicht selber herstellen, braucht sie aber als Baustein seiner eigenen Proteine. Mit der Nahrung zugeführtes Protein muss also hinreichen, den Bedarf für jede dieserunentbehrlichen (essenziellen) Aminosäuren abzudecken.

Ein Mangel an Protein kann eine Reihe vonSymptomen hervorrufen. Andauernder Eiweißmangel führt zuMarasmus,Kwashiorkor oder zu beidem und letzten Endes zum Tod.

• Die EiweißmangelkrankheitKwashiorkor tritt vorwiegend in sogenannten Entwicklungsländern auf und betrifft meist unterernährte Kinder, deren fortgeschrittenes Leiden an einemHungerbauch zu erkennen ist, hervorgerufen durch Einlagerung von Wasser. Wegen der fehlenden Bluteiweiße wieAlbumin kommt es auch in anderen Körperregionen zuÖdemen (Hungerödemen). Weitere Symptome sind u. a.
  • verminderteHaarpigmentierung
  • Wachstumsverzögerung
  • Lebervergrößerung
  • Muskelschwäche
  • Apathie

EinEiweißmangelödem oderkolloidosmotisches Ödem entsteht durch eineHypoproteinämie, die durch einen Eiweißmangel hervorgerufen wird und einen vermindertenkolloidosmotischen Druck verursacht. Es tritt beispielsweise bei einerMangelernährung, bei fortgeschrittenenLebererkrankungen oder einemnephrotischen Syndrom auf.^[17]

Durch das Absinken des kolloidosmotischen Drucks wird Flüssigkeit in das umliegende Gewebe gedrückt, wodurch sich ein Ödem bildet.^[18]

Mit zunehmendem Alter steigt die Wahrscheinlichkeit eines Proteinmangels, da die Fähigkeit des Körpers, Eiweiß effektiv zu verwerten, abnimmt. Somit besteht ein höherer Eiweißbedarf.

Bei herzkranken Patienten kann Proteinmangel dieHerzmuskelfunktion beeinträchtigen und die Erholungsphase nachHerzoperationen verlangsamen.^[19]

Zu einem Eiweißmangel kommt es in denIndustrieländern allerdings sehr selten und nur bei extrem proteinarmen Ernährungsformen. Die durchschnittliche deutsche Mischkost enthält mit 100 Gramm Eiweiß pro Tag mehr als genug Protein. Obgleich in der WerbungEiweißpulver als für Breitensportler empfehlenswert angepriesen werden, deckt „unsere übliche Ernährung […] auch den Eiweißbedarf von Sportlern ab“, wie es dazu in einem Bericht des Ministeriums für Ernährung und Ländlichen Raum Baden-Württembergs heißt.^[20]

Sehr proteinhaltige Nahrungsmittel (in alphabetischer Reihenfolge) sind:

• Eier
• Fisch
• Fleisch
• Hülsenfrüchte (Soja undLupinen ca. 40 %, Bohnen und Erbsen ca. 20 %)
• Milchprodukte (Käse undQuark)
• Nüsse
• Raps (ca. 40 % im Samen; das aus Raps gewonnene Speiseöl einhält kein Protein)

Eine weitere Proteinquelle ist dieQuinoa-Pflanze, welche neben ihrem hohen Eiweiß-Gehalt (etwa 14 g auf 100 g) alle 9 essentiellen Aminosäuren enthält.^[21] Ihrer Bedeutung als Nahrungsquelle bewusst, erklärte der ehemalige UN-GeneralsekretärBan Ki-moon das Jahr 2013 zumJahr der Quinoa, da sie besonders in der Zeit desKlimawandels als wichtige Nahrungsquelle dienen und den Hunger in den Entwicklungsländern bekämpfen soll.

Stand bislang vor allem die Menge von Proteinen im Vordergrund, so rückt zunehmend die Quelle von Proteinen und deren gesundheitliche Wirkung in den Blick der Forschung.^[22] Heute wird aus gesundheitlicher Sicht zum vermehrten Konsum pflanzlicher Proteinquellen geraten.^[23] So zeigt eine Studie aus dem Jahr 2016, dass eine positive Korrelation zwischen dem Konsum von pflanzlichen Proteinquellen und einer geringerenMortalität aufgrund von Herzkreislauferkrankungen besteht.^[24] Eine Studie aus dem Jahr 2021 bestätigt dieses Ergebnis. In ihr waren pflanzliche Eiweißquellen sowohl mit einer geringerenGesamtmortalität verbunden als auch mit einer geringeren Mortalität aufgrund von Demenz und Herzkreislauferkrankungen. Tierisches Eiweiß wie verarbeitetes rotes Fleisch und Eier waren hingegen mit einer höheren Gesamtmortalität verbunden.^[25] Eine Studie aus 2023 sieht zwar ein geringeres Risiko für Herzkreislauferkrankungen bei Bevorzugung von pflanzlichem Eiweiß, ordnet die Evidenz dafür jedoch als gering ein.^[26] Allerdings trägt der Wechsel von tierischen zu pflanzlichen Proteinquellen auch zur Reduktion vonCO₂-Emissionen und der möglichen Verringerung vonFolgen der globalen Erwärmung bei (Siehe auch:Planetare Gesundheit).^[27][28]

DerProtein Digestibility Corrected Amino Acid Score (PDCAAS) wird von derErnährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO/WHO) und der USFood and Drug Administration als „die beste Methode“ zur Bestimmung der Proteinqualität angenommen.^[29][30] Die Kennzahl berücksichtigt sowohl dieAminosäurenzusammensetzung als auch die Verdaulichkeit dieser. Besondere Bedeutung kommt hierbei dem Gehalt anessentiellen Aminosäuren zu. Darüber hinaus gibt es das ältere und mittlerweile überholte Konzept derbiologischen Wertigkeit. 2013 hat die FAO außerdem denDigestible Indispensable Amino Acid Score (DIAAS) als Bewertungsmethode zur Bestimmung der Proteinqualität ins Spiel gebracht.^[31][32][33] Hauptunterschied ist, dass beim DIAAS die echteileale Verdaulichkeit gemessen wird. Der DIAAS wird grundsätzlich nicht gekürzt und kann auch Werte über 100 % annehmen. Nur bei der Betrachtung der gesamten Proteinzufuhr, unabhängig davon, ob es sich um eine Mischkost oder um ein einzelnes Nahrungsmittel, wie beispielsweise Säuglingsnahrung, handelt, muss der DIAAS auf 100 % gekürzt werden.^[34]

Insgesamt bleibt eine Bewertung von verschiedenen Proteinquellen schwierig, wenn es um dem Erhalt normaler Körperfunktionen geht. So schreibt die Encyclopedia of Human Nutrition:

Die Gesamtmenge der alsnachwachsende Rohstoffe in der stofflichen Nutzung verwendeten Proteine wird für Deutschland im Regelfall mit etwa 55.000 t pro Jahr angegeben.^[36] Genaue Angaben über die Herkunft dieser Proteine gibt es nicht, es ist jedoch anzunehmen, dass sie zu einem großen Teil tierischer Herkunft sind.

Der Großteil pflanzlicher Proteine wird für dieFuttermittelindustrie aufgewendet, so die als Nebenprodukte bei derPflanzenölpressung und -extraktion anfallenden Pressrückstände (z. B.Raps- undSojakuchen,Extraktionsschrot) und Nebenprodukte der Gewinnung vonStärke ausGetreide. Pflanzen, die zur Hauptnutzung als Proteinpflanzen angebaut werden, wie bspw.Lupine, Eiweißerbse undAckerbohne, haben nur eine geringe Bedeutung^[37] – die Gesamtfläche für den Anbau dieser Pflanzen als nachwachsende Rohstoffe in Deutschland liegt bei etwa 30 ha pro Jahr.^[38] Etwa 1.000 tWeizenproteine werden jährlich in der chemischen Industrie eingesetzt.

Von zentraler Bedeutung für die chemisch-technische undbiotechnologische Industrie sind dagegen tierische Proteine. Dabei spielt vor allem dieGelatine eine zentrale Rolle, die in Europa vor allem ausRinderspalt,Schweineschwarten sowieKnochen von Rindern und Schweinen gewonnen wird. In Deutschland werden jährlich etwa 32.000 t Gelatine in Speisequalität hergestellt, die europäische Gesamtproduktion beträgt 120.000 t (70 % Schweineschwarten, 18 % Knochen, 10 % Rinderspalt, 2 % Sonstige).^[39][40] Verwendet werden in Deutschland etwa 90.000 t, wobei 2/3 im Ernährungsbereich und von dem Rest etwa die Hälfte für den Futtermittelbereich aufgewendet werden. Etwa 15.000 t werden in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet. Dabei finden sich die Haupteinsatzbereiche in derPharmaindustrie, mit Umhüllungen vonTabletten undVitaminpräparaten (Hart- und Weichkapseln) sowie Gelatinezäpfchen. Außerdem wird Gelatine fürblutstillende Schwämmchen sowie alsBlutplasmaersatz eingesetzt. In deranalogen Fotografie stellt Gelatine die Basis für die fotoempfindlichen Schichten auf dem Film und demFotopapier dar. Auch moderne Druckerpapiere zum Ausdrucken von Farbbildern sind mit Gelatine beschichtet.^[40]

Neben Gelatine stelltCasein eine wichtige Proteinquelle für die chemische Industrie dar. Das ausMilcheiweiß gewonnene Protein wird vor allem als Beschichtungsmaterial für Glanzpapiere sowie als Zusatz für Streichfarben verwendet (ca. 1–2 % je nach Hersteller). Zudem findet es Verwendung als Etikettenkleber auf Glasflaschen. Jährlich werden in Deutschland etwa 8.000 bis 10.000 t Casein eingesetzt.

Die Nutzung von Proteinen ausBlutmehl zur Herstellung vonbio-basierten Kunststoffen (z. B. Pflanztöpfe) befindet sich noch in der Entwicklung, ebenso ein Verfahren zur biotechnologischen Herstellung von Fasern aus Seidenproteinen zur Verarbeitung in Schäumen, Vliesstoffen oder Folien.^[41][42][43]

Etwa 6.000 bis 7.000 t Proteine sind Autolyseprodukte aus Hefen (Hefeextrakte). Diese finden Anwendung vor allem in der Pharmazeutischen Industrie und der Nahrungsmittelindustrie sowie in der Biotechnologischen Industrie alsNährlösung für Mikroorganismen.

Pflanzliche Proteine können aus Soja, Erbsen, Lupinen, Raps oder anderen proteinreichen Früchten wie z. B. Sonnenblumenkernen u. a. m. gewonnen werden. Die geernteten proteinhaltigen Früchte werden mechanisch zerkleinert und entfettet. Es entstehen Flocken oder ein proteinreiches Pulver.Anschließend wird unter Verwendung von Lösungsmitteln ein Proteinkonzentrat gewonnen, das ggf. weiter zu Proteinisolat gereinigt und aufkonzentriert wird: Die Flocken oder Mehl werden mit Wasser versetzt undangemaischt. Die proteinarmen Fasern und Feststoffe werden im nächsten Schritt mit Hilfe vonIndustriezentrifugen von der proteinreichen Lösung abgetrennt. Dann folgt die sogenannteAusfällung. Hier wird derpH-Wert der proteinreichen Lösung auf denisoelektrischen Punkt eingestellt. Dadurch setzen sich die Proteinpartikel ab. Diese werden dann wiederum mittels Zentrifugen von der Lauge abgetrennt. Um alle Bestandteile der Mutterlauge aus dem ausgefällten und abgetrennten Protein zu entfernen, wird das Protein erneut mit Wasser versetzt und wieder mit Hilfe der Zentrifugalkraft abgetrennt.^[44][45]

Bei einer Trockenextrusion wird unter Zuführung von Wärme, Druck und Hilfsstoffen ein Zwischenprodukt mit niedrigem Wassergehalt erzeugt. Es wird in der Fachsprache als TVP (Texturized Vegetable Protein) bezeichnet und hat eine trockene Konsistenz in Form von Körnern, Streifen oder Flocken. Dies kann durch Zugabe von Wasser zu einem schwammartigen Vorprodukt für Fleischersatzprodukte weiter verarbeitet werden. Bei einer Nassextrusion wird alternativ mit einem höheren Wassergehalt operiert. Die Feuchtigkeit des Zwischenproduktes liegt daher näher am Wassergehalt des Endproduktes. Das Zwischenprodukt wird als HMMA (High Moistured Meat Analogues) bezeichnet.

Als vollwertigen Ersatz des proteinreichenFischmehls durch Protein ausFliegenlarvenmehl züchtet ein Unternehmen auf dem agrarwissenschaftlichen Gelände derUniversität Stellenbosch inElsenburg (Südafrika) millionenfachStubenfliegen (Musca domestica) heran. Aus einem Kilogramm Fliegeneier können in nur 72 Stunden ungefähr 380 bis 420 Kilogramm Protein entstehen.

Bei entsprechender Großproduktion könnte ein großer Teil der weltweiten Fischmehlproduktion eingespart und die Weltmeere vom industriellen Fischfang entlastet werden. Noch 2012 will das Unternehmen „Agriprotein“ in die Massenherstellung gehen.^[46] Täglich werden 65 t Blut aus herkömmlichen Schlachtereien benötigt, um 100 t Fliegenlarven innerhalb eines Zeitraumes von ca. 3 Tagen auf eine Länge von jeweils rund 12 mm heranzuziehen. Im Wege der Trocknung, Vermahlung zu Madenmehl und anschließenden Pelletierung können so täglich 20 t des Proteinprodukts gewonnen werden.^[47] Eine weitere Pilotanlage in Deutschland wird von der deutschen Regierung mit 50 % gefördert.^[47] Das Unternehmen hat 2012 denPeople and Environment Achievement Award erhalten.^{[46][48][49][50][51]}

Die Herstellung rekombinanter Proteine mit genau festgelegter Aminosäuresequenz und möglicherweise weiteren Veränderungen (z. B. eineGlykosylierung) geschieht sowohl im Labor als auch großtechnisch entweder durchPeptidsynthese oderbiotechnologisch durchÜberexpression in verschiedenen Organismen und folgenderProteinreinigung.

Im Zuge desProtein-Engineerings können Eigenschaften des gewünschten Proteins gezielt (über dasProteindesign) oder zufällig (über einegerichtete Evolution) verändert werden. Prinzipiell können industriell dieselben Verfahren angewandt werden wie im Labor, jedoch ist die Verwendung vonNutzpflanzen durchPharming am besten für die großtechnische Nutzung geeignet, bei der mitBioreaktoren inReinräumen gearbeitet wird. Um die geeigneten Organismen zu erhalten, werdengentechnische Methoden eingesetzt.

Die technische Produktion nativer Proteine findet weltweit hauptsächlich in derPharmazie (Biopharmazeutika) und zur industriellen Verwendung vonEnzymen alsWaschmittelzusätze (Proteasen,Lipasen,Amylasen undCellulasen) oder in der Milchverarbeitung (Lactasen) statt. Proteine für dieNahrungsmittelindustrie müssen nicht notwendigerweise in nativer Form hergestellt werden, da einebiologische Aktivität nicht immer erforderlich ist, z. B. bei Käse oder Tofu.

Insbesondere mit Hilfe verbesserter Methoden derMassenspektrometrie ist es heute möglich, Proteine oder Teile von Proteinen ausarchäologischen undpaläontologischen Funden zu analysieren. Aus der Rekonstruktion „fossiler“ Proteine kann zudem auf die siecodierenden Gene und damit auf den Bau deraDNA zurückgeschlossen werden.^[52]

„Seidenglanz-Proteine“, die als Zusatz fürHaarwaschmittel für Menschen und zur Fellpflege für Tiere beworben werden (um vorgeblich Glanz zu erzeugen), werden aus den Resten vonPuppen derSeidenraupen, nach Ablösung der diese umhüllendenSeidenfäden, hergestellt.

Im Februar 2020 berichteten Wissenschaftler den Fund eines Protein „Hemolithin“ im Inneren des 1990 gefundenen Meteoriten „Acfer 086“. Proteine sind essentielle Bauteile fürdie Entstehung von Leben. Falls ihre kontroverse Studie imPeer-Review bestätigt wird, könnte dies diePanspermie-Hypothese stützen. Das Protein könnte in protoplanetarem oder interstellarem Gas entstanden sein.^[53][54][55]

• Proteinfamilie
• Membranprotein,Metalloenzym,Metalloprotein
• Hitzeschockproteine
• Hefe-Zwei-Hybrid-System
• Intein
• Amyloidose,Cystinurie

• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Gregory J. Gatto jr., Lubert Stryer:Stryer Biochemie. 8. Auflage. Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg 2018,ISBN 978-3-662-54619-2,doi:10.1007/978-3-662-54620-8. 
• Friedrich Lottspeich, Joachim W. Engels (Hrsg.):Bioanalytik. 3. Auflage. Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg 2012,ISBN 978-3-8274-2942-1. 
• Hubert Rehm, Thomas Letzel:Der Experimentator: Proteinbiochemie / Proteomics. 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009,ISBN 978-3-8274-2312-2.
• E. Buxbaum:Fundamentals of Protein Structure and Function. Springer, New York 2007,ISBN 978-0-387-26352-6 (englisch).
• P. Kaumaya:Protein Engineering. Intech Open, 2012,ISBN 978-953-51-0037-9,doi:10.5772/1286.

Commons: Proteinstrukturen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Protein – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Peptide, Polypeptide (Proteine)
• Protein Database (Aminosäurensequenzen, 3D-Strukturen …)
• Human Protein Atlas – der Atlas enthält über 1 Million von Pathologen zertifizierte Abbildungen und gibt Auskunft über die Lokalisation und Expression von Proteinen in humanem Normal- und Tumorgewebe
• Proteopedia – Proteopedia ist eine interaktive 3D-Enzyklopädie über Proteine und andere Biomoleküle im Wikipedia-Format (englisch)
• UniProt enthält Aminosäuresequenzen von und selektive Informationen zu natürlich vorkommenden Proteinen

• Proteingruppe
• Protein
• Zellbiologie
• Nährstoff
• Lebensmittelinhaltsstoff