Sie tappen herum, um den lauten Alarm auszuschalten, und schleppen Ihre Füße ins Badezimmer. Sie putzen Ihre Zähne, waschen sich mit Seife aus verschiedenen Behältern und trocknen Ihre Haare mit einem Föhn. Nach einem kurzen Frühstück ziehst Sie sich an und verlassen mit Ihrer Handtasche und Ihrem Handy das Haus.
Wenn wir einen Blick auf die Gegenstände werfen, die auf dem Weg zur Arbeit verwendet werden, sind die meisten davon aus Kunststoff. Angefangen bei Uhren, Zahnbürsten, Waschmittelflaschen, Haartrocknern, Utensilien, Kochutensilien, Funktionsstoffen, Taschen und Handy-Displayständern – all das hätte es ohne Plastik nicht um uns herum gegeben. Das 21. Jahrhundert kann zu Recht als das „Plastikzeitalter“ bezeichnet werden.
Viele Hightech-Produkte bestehen aus synthetischen Polymeren1 wie Kunststoff (Kunstharz), synthetischen Fasern und synthetischem Kautschuk. Aus welchem Material bestehen dann Lebewesen, einschließlich Menschen?
1. Polymer: Ein großes Molekül mit einem Molekulargewicht von mehr als 10.000, das normalerweise aus 100 oder mehr Atomen besteht. Dutzende bis Hunderte von Monomeren werden hintereinander zu langen Polymerketten synthetisiert.
Das Leben besteht aus Eiweiß
Menschen und andere Lebewesen bestehen aus natürlichen Polymeren, die Proteine genannt werden. Wenn Sie den menschlichen Körper betrachten, können Sie erkennen, dass die meisten Körperteile – verschiedene Substanzen in den Zellen, Blutbestandteile, Organe, die Organe umgebende Muskeln, Haut, Haare, Nägel usw. – aus verschiedenen Arten von Proteinen bestehen. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die Hälfte des menschlichen Körpers, außer Wasser, aus Proteinen besteht2.
2. Harte Knochen werden vervollständigt, nachdem die Knochenmatrix, die Kollagenprotein als Hauptbestandteil enthält, ausgehärtet ist und ihr Kalziumphosphatkristalle hinzugefügt werden.
Proteine falten und biegen sich entsprechend der Anordnung der Aminosäuren und bilden so eine dreidimensionale Form. Beim Hämoglobin sind ringförmig vier Ketten zu einer zusammengefasst.
Kunststoffe sind Polymere, die durch den Polymerisationsprozess niedermolekularer Monomere lange und große Molekülketten bilden. Ebenso bestehen Proteine, bei denen es sich um natürliche Polymere handelt, aus Monomeren, die Aminosäuren genannt werden und aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff bestehen. Getrennte Aminosäuren werden durch eine Peptidbindung verbunden, als ob zwei Objekte zusammengeklebt würden, und bilden Protein. Insulin, dessen Aminosäuresequenz erstmals nach einer jahrzehntelangen Studie identifiziert wurde, besteht aus 51 Aminosäuren.
Proteine haben nicht die Form einer einzelnen Schnur, sondern sind entsprechend der Anordnung der Aminosäuren gefaltet und gebogen und nehmen die Form dreidimensionaler Formen wie runder Kugeln, Platten, langer Fasern und Spiralen an. Nur dann können sie die einzigartigen Funktionen und Eigenschaften eines bestimmten Proteins richtig demonstrieren. Das Hämoglobin im Blut besteht aus vier Polypeptidketten; jede Kette, die wie ein Ring ist, fügt sich zu einem Ganzen zusammen, wie ein sich verwandelnder Roboter.
Die Struktur eines Proteins reagiert sehr empfindlich auf die Umgebung. Proteinreiches Eiweiß ist ursprünglich transparent, wird aber beim Rühren oder Erhitzen weiß. Solche Veränderungen in der Molekülstruktur des Proteins aufgrund von Veränderungen in der äußeren Umgebung werden Denaturierung genannt. Aus diesem Grund wird Fleisch beim Garen braun.
Protein mit tausend verschiedenen Gesichtern
Es gibt insgesamt 20 Aminosäuren, die die Proteinquelle darstellen. Da den Monomeren des Proteins nur 20 Aminosäuren entsprechen, könnte man annehmen, dass die Art des synthetisierten Proteins wahrscheinlich nicht so vielfältig ist wie das synthetische Polymer. Nehmen wir jedoch an, dass nur 10 der 20 Aminosäuren frei verknüpft sind. Es gibt 2010 verschiedene Kombinationen. Proteine bestehen aus Hunderten bis Zehntausenden Aminosäuren, daher gibt es unzählige Kombinationen davon. Dies ermöglicht die Synthese einer Vielzahl von Proteinen, um die im Körper erforderlichen Funktionen zu erfüllen.
In unserem Körper bestimmt die genetische Information die Reihenfolge der Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen. Die durch den DNA-Code bezeichneten Aminosäuren werden der Reihe nach weitergegeben, wie Perlen an einer Schnur, und die Synthese verläuft streng kontrolliert. Da die Reihenfolge und Anzahl der Aminosäuren stets reguliert sind, sind Länge und Art der Ketten immer gleich, weshalb die hergestellten Proteine konsistente Eigenschaften haben.
Die Aminosäuren, aus denen die Ketten bestehen, ziehen sich gegenseitig an oder widerstehen sich gegenseitig, abhängig von ihren Eigenschaften. Daher wird Protein spontan in einen stabilen Zustand gefaltet. Manchmal bildet es mithilfe eines anderen Proteins namens Chaperon dreidimensionale Formen.
Es ist bekannt, dass es in unserem Körper 100.000 Arten von Proteinen gibt. Es gibt nur etwa 30.000 Gene, die man als Baupläne für Proteine bezeichnen kann, aber durch den Editierungsprozess entstehen aus einem Gen mehrere unterschiedliche Proteine oder es werden Zuckerketten an andere Proteine gebunden.
Protein, ein Träger besonderer Fähigkeiten
Die Fähigkeiten von Proteinen variieren ebenso wie die verschiedenen Arten von Proteinen. Das Stratum corneum auf der Hautoberfläche, den Haaren und Nägeln ist allesamt wasserunlöslich und besteht aus harten Keratinproteinen. Knochen bestehen aus einem Protein namens Kollagen, und sowohl transparente als auch robuste Linsen und elastische Muskeln bestehen aus Protein.
Proteine formen nicht nur den Körper, sondern spielen auch eine Rolle bei der Unterstützung lebenswichtiger Aktivitäten wie Katalysatoren, Informationsübertragung und -transport, wie Enzymproteine, die chemische Reaktionen im Körper beschleunigen. Im Gehirn, wo Neuronen versammelt sind, werden Erinnerungen und Emotionen durch den Austausch von Neurotransmittern zwischen Zellen erzeugt. An diesem komplexen Prozess sind verschiedenste Proteine beteiligt. Es gibt viele verschiedene Aufgaben, wie die Herstellung von Antikörpern gegen in den Körper eindringende Krankheitserreger, die Einbindung der Sinne und die Bindung an die DNA, um die Genexpression zu regulieren.
Wenn es um ein gutes elastisches Material geht, denkt man zuerst an Gummi. Aber die Gebärmutter, ein Körperorgan, hat eine überraschendere Funktion. Wenn der Fötus ausgewachsen ist, wächst die Gebärmutter bis zu 500-mal größer als ihre ursprüngliche Größe, nimmt jedoch nach der Geburt des Babys wieder ihre ursprüngliche Größe an. Die meisten Organe, die sich wiederholende Bewegungen ausführen, wie Blutgefäße, Stimmorgane oder das Herz, bestehen aus Elastinprotein mit guter Elastizität. Blutgefäße verlieren über jahrzehntelange Herzschläge hinweg nicht an Elastizität oder brechen sogar zusammen, es sei denn, es liegt ein pathologisches Problem in ihnen vor.
Einige haben eine gute Haftung. Es handelt sich um ein Protein namens Dopa, das in Meeresorganismen vorkommt, die normalerweise an Steinen wie Seepocken und Muscheln haften. Klebstoffe neigen bei Feuchtigkeit dazu, ihre Haftung zu verlieren, bei Verwendung dieses Proteins verlieren sie jedoch auch in Wasser nicht ihre Haftung. Durch die Untersuchung dieser Eigenschaften wird ein biokompatibler Proteinkleber erfunden, der chirurgische Nähte ersetzen soll.
Fische im Antarktischen Ozean gefrieren selbst bei kryogener Temperatur nicht. Dies liegt daran, dass sie Frostschutzproteine in ihrem Körper haben, die das Wachstum von Eiskristallen auch bei Wassertemperaturen unter dem Gefrierpunkt hemmen. Dieses Frostschutzprotein, das in einigen Insekten und Pflanzen vorkommt, die unter extremen Bedingungen leben, wird bereits in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter in der Blutkonservierung und der Qualitätskontrolle von Tiefkühlkost.
Es gibt auch Proteine, die eine kugelsichere Jacke herstellen können. Das Seidenprotein von Spinnen ist mehr als fünfmal stärker als Stahl gleicher Dicke; es ist so stark, dass ein Spinnennetz mit einem Durchmesser von 1 cm einen Strahl anziehen kann. Das Spinnenseidenprotein mit hoher Festigkeit und Elastizität wird höchstwahrscheinlich in verschiedenen Bereichen wie Fallschirmen, künstlichen Bändern und Hängebrückenkabeln eingesetzt.
Wenn es um Protein geht, denkt man meist an proteinreiche Lebensmittel wie Fleisch, Bohnen und Eier. Die wahre Natur von Protein ist jedoch, dass es ein natürliches Polymer ist, das im Körper vielfältige Rollen spielt. Verschiedene Proteine steuern die Lebensaktivitäten aller Lebewesen, von der Geburt bis zum Tod und während des Wachstums. Obwohl die Anzahl der Monomere viel geringer ist als die von synthetischen Polymeren, übertreffen die Vielfalt und die hervorragenden Eigenschaften synthetische Polymere, wenn man bedenkt, dass es sich um Materialien handelt, aus denen der menschliche Körper besteht.
Die Proteomik, also die Untersuchung der Funktionen und Veränderungen von Proteinen, die im Körper hergestellt werden, steht ebenso im Rampenlicht wie die Genomik als wachstumsstarke Branche, die im 21. Jahrhundert die wissenschaftliche Zivilisation anführen wird. Dies liegt daran, dass aus Genen hergestellte Proteine Geheimnisse enthalten, die nicht durch die alleinige Untersuchung von Genen untersucht werden können. Es gibt unzählige unbekannte Proteine in Lebewesen, die wir nicht einmal kennen. Was die Menschen entdeckt haben, ist eigentlich nur die Spitze des Eisbergs.