Eigenschaften von Proteinen analysieren

Proteine erfüllen lebenswichtige Aufgaben im menschlichen Körper. Sie spielen aber auch in vielen industriellen Bereichen eine Rolle, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, in Reinigungsmitteln, in Kosmetika und in der Chemieindustrie. Informieren Sie sich hier über den Aufbau und die Eigenschaften von Proteinen und erfahren Sie, welche Technologien Ihnen Wyatt zur Analyse von Proteinen in der Chemie, in der Biologie und in der Medizin anbietet.

Was ist ein Protein?

Proteine, oft auch als Eiweiße bezeichnet, sind biologische Makromoleküle. Sie bestehen aus Aminosäureketten, die durch Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Abhängig vom genauen Aufbau können die Eigenschaften von Proteinen unterschiedlich ausfallen.

Die Bezeichnung Protein tauchte erstmals 1839 in einer Veröffentlichung des niederländischen Mediziners, Pharmakologen und Chemikers Gerardus Johannes Mulder auf. Diesem wurde der Terminus ein Jahr zuvor vom schwedischen Mediziner und Chemiker Jöns Jakob Berzelius vorgeschlagen, der ihn vom griechischen Wort proteios für „vorrangig“ und „grundlegend“ abgeleitet hatte. Dahinter stand der Trugschluss, dass alle Proteine auf derselben Grundsubstanz basieren würden. Heute ist deutlich mehr über die Eigenschaften von Proteinen bekannt.

Grundsätzlich lassen sich globuläre und fibrilläre Proteine unterscheiden. Globuläre Eiweiße sind kugel- oder birnenförmig. Für diese Proteine stehen Beispiele wie das für den Sauerstofftransport im Blut zuständige Hämoglobin oder das als Steuerprotein für den osmotischen Druck dienende Albumin. Fibrilläre oder Faserproteine ähneln Strängen oder Kabeln. Sie finden sich unter anderem in Häuten, Muskeln und Haaren.

Wie entsteht ein Protein?

Natürliche Proteine werden in Zellen von Lebewesen durch Verknüpfung von Aminosäuren gebildet. Dieser Vorgang, von dem die Eigenschaften von Proteinen in hohem Maße abhängen, wird als Proteinbiosynthese bezeichnet. Die hierbei entstehenden Peptidbindungen resultieren aus einer Kondensationsreaktion zwischen der Aminogruppe einer Aminosäure und der Carboxygruppe einer weiteren Aminosäure.

Die Aminosäureketten können mehrere tausend Aminosäuren umfassen. Von Proteinen ist in der Regel erst ab einer Kettenlängen von etwa 100 Aminosäuren die Rede. Kürzere Ketten bezeichnet man als Peptide. Das größte bekannte menschliche Protein namens Titin besteht aus mehr als 30.000 Aminosäuren.

Die Aminosäuresequenz eines Proteins ist in der Desoxyribonukleinsäure (DNS, engl. DNA) codiert. Die Ribosomen, die zelleigenen "Proteinfabriken", verwenden diese Information, um die einzelnen Aminosäuren zu einer Polypeptidkette zusammenzusetzen. Durch Faltung dieser Kette entsteht letztlich die dreidimensionale Form des jeweiligen Proteins. Mittlerweile ist es möglich, synthetische Eiweiße zu erzeugen, und die Eigenschaften von Proteinen durch den Einbau künstlicher Aminosäuren gezielt zu verändern.

Wie sind Proteine aufgebaut?

Das Thema chemischer Aufbau der Proteine ist äußerst komplex. Die Biochemie unterteilt die Struktur von Proteinen in vier hierarchisch angeordnete Ebenen:
  • die Primärstruktur (Reihenfolge der mittels Peptidbindungen verknüpften Aminosäuren)
  • die Sekundärstruktur (relative Anordnung der Proteinbausteine)
  • die Tertiärstruktur (räumliche Anordnung der Aminosäurekette)
  • die Quartärstruktur (Anordnung mehrerer zu einem Proteinkomplex zusammengelagerter Polypeptidkteten)
Die besonderen strukturellen Eigenschaften von Proteinen haben für die Biologie eine fundamentale Bedeutung. Zur experimentellen Bestimmung der Proteinstruktur existieren verschiedene Verfahren. Im Rahmen der Kristallstrukturanalyse wird die Atomanordnung mittels ionisierender Strahlung bestimmt; auch die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) gibt Aufschluss über die 3D-Struktur der Eiweiße gibt. Weitere Methoden zur Ermittlung der Eigenschaften von Proteinen sind die analytische Ultrazentrifugation und die Größenausschlusschromatographie. Sprechen Sie uns gern an, wenn Sie mehr über Letztere wissen möchten.

Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Proteinen?

Die chemischen Eigenschaften von Proteinen hängen vom genauen Aufbau der Eiweiße ab. Allen gemein ist, dass sich die Proteinstrukturen durch Erhitzen, Bestrahlen oder die Zugabe von Säuren, organischen Lösungsmitteln oder Schwermetall-Ionen verändern können. Infolge dieses als Denaturierung bezeichneten Vorgangs werden die Bindungen in den Makromolekülen aufgespalten. Das kann sich sowohl auf die Anordnung innerhalb einer Polypeptidkette als auch auf die räumliche Anordnung der Ketten zueinander und damit letztlich auf die Eigenschaften von Proteinen auswirken.

Sind die strukturellen Veränderungen sehr tiefgreifend, können sie irreversibel sein. Ein Beispiel für die unumkehrbare Änderung der Eigenschaften von Proteinen ist die Denaturierung von Hühnereiweiß beim Kochen. Durch die Hitze wird das Eiweiß fest und der anfangs flüssige Zustand lässt sich nicht mehr herstellen. Wurde hingegen nicht zu viel von der Proteinstruktur zerstört, kann die Denaturierung umkehrbar sein. Das liegt daran, dass Proteine in ihrer gefalteten Form am stabilsten sind. Stimmen die Voraussetzungen, können die korrekte Faltung und damit auch die ursprünglichen Eigenschaften von Proteinen wieder hergestellt werden.

Durch die Peptidbindung absorbieren Eiweiße ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 190 bis 230 nm. Proteine, die in ihrer Sequenz aromatische Aminosäuren wie Tyrosin oder Tryptophan aufweisen, absorbieren auch UV-Licht mit Wellenlängen von 280 bis 288 nm. Diese Eigenschaften von Proteinen lassen sich unter anderem zur photometrischen Quantifizierung verwenden. Durch die verschiedenen enthaltenen Aminosäuren besitzen Proteine zum Teil einzigartige Strukturmotive, z. B. Sulfhydryl-inkludierende Cysteine. Mit diesen Eigenschaften von Proteinen ist eine selektive Molekülmarkierung möglich.

Welche Funktion haben Proteine?

Proteine tragen als Stickstofflieferant zum Aufbau und zum Erhalt von Muskeln und Organen bei. Des Weiteren wirken sie als Hormone, Enzyme, Faktoren der Blutgerinnung, als Transportproteine sowie als Strukturproteine. Auch bei den Antikörpern des Immunsystems handelt es sich um Proteine. Nicht zuletzt dienen Eiweiße auch als Energiequelle und Nahrungsproteine sind ein signifikanter Lieferant essenzieller Aminosäuren.

Die wichtigsten Protein-Arten im Überblick:

  • Strukturproteine (dienen als Gerüststoffe in Zellen und Geweben, z.B. Kollagen und Elastin)
  • kontraktile Proteine (sorgen dafür, dass sich Muskeln zusammenziehen können, z.B. Aktin und Myosin)
  • Transportproteine (transportieren Substanzen wie Sauerstoff und Fett, z.B. Hämoglobin und Albumin)
  • Speicherproteine (dienen als biologische Reserven und in Hungersituationen als Energiequelle, z.B. Ferritin)
  • Schutzproteine (bildet der Körper als Reaktion auf Krankheitserreger und Verletzungen, z.B. Fibrinogen)
  • Hormone (steuern wichtige Vorgänge im Körper, z.B. Insulin und Erythropoetin)
  • Enzyme (setzen chemische Reaktionen im Körper in Gang oder beschleunigen sie, z.B. Oxidoreduktasen und Transferasen)
Verbinden sich einzelne Proteine zu größeren molekularen Strukturen, können sie komplexe Aufgaben erfüllen. Zu diesen Eiweißen zählen die DNA-Polymerase, die eine Schlüsselrolle bei der Replikation von DNA spielt, und die RNA-Polymerase, die für die Synthese von RNA-Strängen zuständig ist.

Welche Methoden nutzt Wyatt, um die Eigenschaften von Proteinen zu analysieren?

Bei der Proteincharakterisierung gibt es einige Parameter, die von besonderer Bedeutung sind. Dazu gehören die molare Masse, die Größe, die elektrophoretische Mobilität, der Oligomerisierungszustand und unterschiedlichste Protein-Protein-Wechselwirkungen. Um diese und andere Eigenschaften von Proteinen zu ermitteln, bringen wir bei Wyatt folgende Verfahren zur Anwendung:
  • die Dynamische Lichtstreuung (DLS)
  • die Kombination aus Mehrwinkel-Lichtstreuung und Größenausschlusschromatographie (SEC-MALS)
  • die Kompositionsgradienten-Mehrwinkel-Lichtstreuung (CG-MALS)
  • die massiv-parallele Phasenanalyse-Lichtstreuung (MP-PALS)
Die dynamische Lichtstreuung eignet sich für alle Einsatzgebiete, in denen Größenverteilungen von Nanopartikeln oder Proteinen für eine Vielzahl von Proben gemessen werden sollen. Die Methode funktioniert zerstörungsfrei, sodass die Analyten für weitere Tests zur Verfügung stehen. Neben der Größe und der Größenverteilung ermöglich die DLS das Bestimmen weiterer Eigenschaften von Proteinen wie Stabilität, molekulare Wechselwirkungen und die (z.B. stressinduzierte) Aggregation.

SEC-MALS ist eine leistungsstarke Technik, mit der Sie Makromoleküle in Bezug auf ihre molekulare Masse, die Größe, die Konformation und die Zusammensetzung von Konjugaten analysieren können. Das Verfahren eignet sich zur Ermittlung der Eigenschaften von Proteinen, bei denen die Standard-SEC-Analyse an ihre Grenzen stößt, beispielsweise Glykoproteine und PEGylierte Proteine.

CG-MALS ermöglicht das direkte Messen von Wechselwirkungen, indem es Änderungen der molaren Masse von Analyten in Lösung überwacht, die aus der Bildung oder Dissoziation von Komplexen resultieren. Die Methode kann auch unspezifische Wechselwirkungen von Proteinen charakterisieren, welche die kolloidale Stabilität formulierter Biotherapeutika beeinflussen.

Mit MP-PALS bestimmen Sie Eigenschaften von Proteinen wie die elektrophoretische Mobilität, das Zetapotenzial und die Oberflächenladung in nativen Pufferlösungen.

Eigenschaften von Proteinen gezielt bestimmen mit Analyse-Geräten von Wyatt Technology

Die Analyse von spezifischen Eigenschaften von Proteinen sind von zentraler Bedeutung für die Erforschung unterschiedlichster biologischer Prozesse. Wyatt stellt Ihnen hierfür geeignete Mess- und Analysegeräte zur Verfügung, die höchste Genauigkeit in einem breiten Anwendungsspektrum gewährleisten.

Sie möchten wissen, welche Geräte sich zur Analyse der für Sie relevanten Eigenschaften von Proteinen eignen? Gern helfen wir Ihnen, die optimale Lösung für Ihren Anwendungsfall zu finden. Setzen Sie sich für eine individuelle Beratung noch heute mit uns in Verbindung.

Weitere Fragen und Antworten zu Eigenschaften von Proteinen

Was ist ein Protein und wie sind seine Eigenschaften?

Proteine sind biologische Makromoleküle, bestehend aus Aminosäureketten. Ihre Eigenschaften hängen vom genauen Aufbau ab, beispielsweise ob das Protein eine globuläre oder fibrilläre Struktur aufweist und davon, wie es mit anderen Molekülen interagiert.

Wie kommt ein Protein zustande?

Proteine werden in Zellen durch die Verknüpfung von Aminosäuren in einer Kondensationsreaktion gebildet. Die Aminosäuresequenz wird von der DNA codiert.

Wie sind Proteine aufgebaut und strukturiert?

Die Biochemie unterteilt die Struktur von Proteinen in vier hierarchisch angeordnete Ebenen: die Primärstruktur, die Sekundärstruktur, die Tertiärstruktur und die Quartärstruktur.

Was gibt es für Arten von Proteinen?

Strukturproteine, kontraktile Proteine, Transportproteine, Speicherproteine, Hormone und Enzyme.