Proteine sind Ketten von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Bei der Synthese faltet sich ein Protein in eine dreidimensionale Form, welche bestimmend für seine spätere biologische Funktion ist. Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Aminosäuren bestimmen die Proteinfaltung, und somit ist die Proteinstruktur in erster Linie von seiner Aminosäuresequenz abhängig.
Proteine erfüllen eine Vielzahl biologischer Funktionen. Dazu gehören unter anderem Katalyse chemischer Reaktionen, Immunabwehr, Speicherung, Transport, Zellkommunikation, Bewegung und Zellstruktur. Die Funktion eines Proteins hängt hauptsächlich von seiner Fähigkeit ab, andere Moleküle nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zu erkennen und zu binden. Die spezifische Aktivität jedes Proteins hängt daher von seinem einzigartigen dreidimensionalen Aufbau ab.
Damit ein Protein funktionsfähig ist, muss es korrekt gefaltet werden. Die meisten Proteine durchlaufen mehrere Zwischenformen, bevor sie in ihre stabilste, biologisch aktive Struktur gefaltet werden. Eine Fehlfaltung von Proteinen wirkt sich nachteilig auf die Gesamtfunktion der Zelle aus. Beim Menschen sind mehrere Krankheiten auf die Anhäufung falsch gefalteter oder ungefalteter Proteine zurückzuführen. Dazu gehören Mukoviszidose, Alzheimer, Parkinson, ALS und die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit.
Proteine bestehen aus einer oder mehreren Aminosäureketten, den sogenannten Polypeptiden. Ein Polypeptid wird als lineare Kette synthetisiert, die sich schnell zu einer dreidimensionalen Struktur faltet. Der Begriff Polypeptid und Protein werden manchmal austauschbar verwendet. Am häufigsten bezeichnet man jedoch gefaltete Polypeptide, die biologische Funktion erfüllen, als Proteine. Eine Proteinstruktur wird normalerweise auf vier Ebenen beschrieben: primär, sekundär, tertiär und quaternär. Die meisten Polypeptide falten sich zu einer insgesamt kompakten, kugelförmigen tertiären Struktur. Ein Beispiel hierfür ist Hämoglobin, ein sauerstofftragendes Protein im Blut. Einige Proteine, wie Keratine, können lange Fasern bilden, die häufig in Haaren und Nägeln zu finden sind.
Die Aminosäuresequenz der Polypeptidkette ist der primäre Bestimmungsfaktor für die Struktur. Die Aminosäuresequenz bestimmt die Art und Lage der Sekundärstrukturen. Zusätzlich wird die gesamte Tertiärstruktur eines Proteins überwiegend durch chemische Bindungen zwischen den Aminosäureseitenketten stabilisiert. Das sind spezifische chemische Gruppen, welche die Aminosäuren voneinander unterscheiden. Diese Seitenketten sind entweder positiv oder negativ geladen, polar ungeladen oder unpolar.
Aminosäuren haben spezifische physikalische und chemische Eigenschaften, je nachdem welche Seitenkettengruppen sie besitzen. So interagieren polare und geladene Aminosäuren mit Wasser unter Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Sie werden als hydrophil; bezeichnet, während die unpolaren Aminosäuren Wechselwirkungen mit Wasser vermeiden und als hydrophob bezeichnet werden. Wenn ein Protein in einer zellulären Umgebung gefaltet wird, liegen daher die Seitenketten von hydrophoben Aminosäuren im Kern des Proteins und somit entfernt von der wässrigen Umgebung, während die Seitenketten der hydrophilen Aminosäuren an der Oberfläche des Proteins liegen.
Die dicht gepackten hydrophoben Aminosäuren im Proteinkern führen zur Entstehung von schwachen Van-der-Waals-Kräften zwischen den Seitenkettengruppen. Die vorhandenen Van-der-Waals-Kräfte verleihen dem gefalteten Protein zusätzliche Stabilität. Die auf der Oberfläche des Proteins liegenden polaren Aminosäuren sind frei und können Wasserstoffbrücken mit Wassermolekülen oder anderen polaren Aminosäureseitenketten bilden. Die positiv und negativ geladenen Aminosäuren befinden sich auch auf der Außenseite des Proteins, wo sie ionische Bindungen mit anderen in der Nähe befindlichen, entgegengesetzt geladenen Aminosäuren bilden.
Disulfidbindungen bilden sich zwischen zwei Sulfhydryl-oder SH-Gruppen der Aminosäure Cystein. Das ist eine sehr robuste Wechselwirkung, welche die Struktur des gefalteten Proteins stärkt. Das Vorhandensein von Disulfidbindungen fixiert das gefaltete Protein in seiner bevorzugten dreidimensionalen Form. Die korrekte Faltung eines Proteins hängt auch von anderen Faktoren der zellulären Umgebung wie pH-Wert, Salzkonzentration, Temperatur, etc. ab. Eine Änderung der physikalischen und chemischen Bedingungen in einer Umgebung des Proteins beeinflusst die chemischen Wechselwirkungen, die das Protein zusammenhalten. Das kann dazu führen, dass sich das Protein falsch faltet oder entfaltet und seine biologische Funktion verliert. Dieser Prozess ist als Proteindenaturierung bekannt.
