Lektion 1 - Proteine

Aequorea victoria - eine Qualle mit besonderen Eigenschaften

Aequorea_victoria 

Unter UV Licht leuchtet die Qualle grün:

Warum leuchtet die Qualle grün ?

Verantwortlich für die grüne Färbung unter UV Licht ist ein fluoreszierendes Protein, das GFP (Green Fluorescent Protein) heißt. Dieses Protein wird jedoch nur in speziellen Lichtorganen gebildet.  Deswegen leuchtet nicht die ganze Qualle sondern nur bestimmte Teile von Ihr. Wenn GFP einer Lichtquelle ausgesetzt wird, zum Beispiel UV Licht, dann wird es durch die im Licht enthaltene Energie angeregt, d.h. es absorbiert dieses Licht und wird dadurch in einen höheren Energiezustand versetzt. Dieser Zustand ist aber recht instabil. GFP hat das Bestreben diese zusätzliche Energie wieder abzugeben (zu emittieren) und dadurch seinen Grundzustand wieder einzunehmen.

Wenn es dann wieder in seinen Grundzustand zurück "fällt", wird die aufgenommene Energie in Form des grünen Lichtes wieder frei. Wird GFP zu intensiv oder zu lange mit UV Licht bestrahlt, geht es kaputt, man spricht dann von einem Bleaching Effekt. 

Film 3 zeigt euch, wie GFP in der Qualle tatsächlich angeregt wird. Hierbei spielt ein weiteres Protein eine wichtige Rolle. Wenn dieses Protein mit Ca2+ Ionen einen Komplex bildet, ändert es seine Konformation und nimmt ein energetisch höheren Zustand ein. Wenn diese Energie in Form eines blauen Lichtes wieder abgegeben wird, kann dieses Licht von GFP absorbiert werden, d.h aufgenommen werden, und dadurch selbst angeregt werden. Wenn GFP von dem höheren Energiezustand dann wieder in den Grundzustand fällt, gibt es grünes Licht ab.

Interessanter Link:
Prof. Dr. Martin Chalfie erhielt zusammen mit Prof. Dr. Osamu Shimomura und Prof. Dr. Roger Tsien 2008 den Nobelpreis für Chemie. Sie wurden damit für die Entdeckung und Weiterentwicklung des GFP geehrt. Prof. Chalfie erklärt im folgenden Video, den Weg zu dieser Entdeckung und wie diese Entdeckung auch heute noch in der Forschung Anwendung findet. Wir werden hierauf an späterer Stelle nochmal zurückkommen.

GFP ist also ein fluoreszierendes  Protein !

Aber was sind Proteine?
Wie sind sie aufgebaut ?

Der folgende Film gibt eine gute Einführung in den  Aufbau der Proteine  .
Für alle, die lieber lesen:
Skript 1 "Proteine und der genetische Code" (Seite 2-6) gibt euch eine guten Überblick über den Zusammenhang zwischen Proteinen und Aminosäuren.

Die wichtigsten Informationen zusammengefasst:

Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut.
Es gibt 20 proteinogene Aminosäuren, d.h. Aminosäuren, die in natürlichen Proteinen vorkommen UND die durch ein Basentriplett im genetischen Code codiert werden können (was das bedeutet erfahren wir etwas später).
Eine Aminosäure besitzt immer den gleichen Aufbau: Das zentrale C-Atom bindet ein H Atom, eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, sowie eine variable Seitenkette, in der sich unterschiedliche Aminosäuren unterscheiden.

By Tyagi.anuj (Own work) [CC-BY-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Wenn sich mindestens zwei Aminosäuren verbinden, spricht man von einem Peptid. Bei dieser Verbindung wird eine sogenannte Peptidbindung unter Abspaltung von Wasser gebildet:

Das Amino-Ende eines Peptides bzw Proteins bezeichnet man als N-terminus; das Carboxy-Ende als C-terminus.
Ein Peptid d.h. eine Aminosäurekette ist schematisch in der folgenden Abbildung gezeigt:

Quelle: Sunshineconnelly at en.wikibooks [CC-BY-2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5)]

Diese Kette stellt lediglich eine sogenante Aminosäuresequenz dar. Man spricht auch von der Primärstruktur des Peptids bzw. des Proteins. Damit das Protein auch funktionabel ist und seine speziellen Aufgaben im Körper erfüllen kann, muss es sich richtig falten. In einem ersten Schritt bilden sich dabei sogenannte Sekundärstrukturen aus, die auf sogenannten Wasserstoffbrücken-bindungen zwischen einzelnen Aminosäuren beruhen. Hierbei unterscheidet man zwischen korkenzieher-artigen Alpha Helices und planaren ß-Faltblättern. Diese Sekundärstrukturen können sich schliesslich zu weiteren Strukturen zusammenschliessen, wodurch man die Tertiärstruktur eines Proteins erhält. Für diesen Prozess sind meist  zusätzliche Proteine in der Zelle nötig, die man  Chaperone nennt. Chaperone  leisten ähnlich wie Hebammen Hilfestellung bei der Faltung und sorgen dafür, dass sich das enstehende Protein  richtig faltet und keine Fehlfaltungen entstehen. Für die Funktion eines Proteins ist die richtige Faltung essentiell. Bereits geringste Abweichungen von der richtigen Struktur können die Aktivität des Proteins und damit seine Funktion beinflussen.

Manche Proteine sind große Komplexe, die aus mehreren Proteineinheiten bestehen. Wenn sich die einzelnen, tertiär gefalteten Einheiten zu dem gesamten Enzymkomplex zusammenschliessen, spricht man von der sogenannten Quartiärstruktur.

Das folgende Video verdeutlicht die unterschiedlichen Strukturtypen eines Proteins:

Soweit eine grobe Einführung in die Welt der Proteine.

In den nächsten Lektionen wollen wir uns nun mit zwei wichtigen Fragen beschäftigen:

A) woher weiß der Organismus eigentlich, aus welchen Aminosäuren die einzelnen Proteine, aufgebaut sind?        und

B) Wie bewerkstelligt er es,  all diese  Proteine herzustellen? 

Wir werden in die Genetik eintauchen und die Herstellung von Proteinen, die sogenannte Proteinbiosynthese,  näher kennenlernen.

Wir werden sehen, dass ein Organismus, eine biologische Zelle,  wirtschaftlich betrachtet eine Wunderfabrik darstellt, in der von einer einzigen Machinerie tausende unterschiedliche Produkte gleichzeitig hergestellt werden können.