Denaturierung (Biochemie)

Irreversible Denaturierung der Proteine eines Eis kann durch hohe Temperatur verursacht werden.

Denaturierung bezeichnet eine strukturelle Veränderung von Biomolekülen, wie zum Beispiel bei Proteinen (Eiweiße) oder der Desoxyribonukleinsäure (DNS), die in den meisten Fällen mit einem Verlust der biologischen Funktion dieser Moleküle verbunden ist. Eine Denaturierung kann entweder auf physikalische oder auf chemische Einflüsse zurückzuführen sein. Bei der Denaturierung bleibt die ursprüngliche Primärstruktur unverändert.

Prinzip der Denaturierung

Die durch äußere Einflüsse hervorgerufene Veränderung der Proteinstruktur, insbesondere der Sekundär- und Tertiärstruktur eines Proteins (und damit eventuell auch seiner Quartärstruktur) erfolgt, ohne dass sich die Reihenfolge der Aminosäuren (Primärstruktur) ändert. Der Vorgang kann reversibel (umkehrbar) oder irreversibel (unumkehrbar) sein. Die reversible Denaturierung wird auch Renaturierung genannt.^[1] Reversible Veränderungen der Molekülstruktur liegen beispielsweise bei der Hitzedenaturierung von DNA vor, wenn diese bei einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR) erhitzt und wieder abgekühlt wird. Bei der irreversiblen Veränderung der Molekülstruktur kann der ursprüngliche räumliche Aufbau des Moleküls nicht wiederhergestellt werden. Dies passiert zum Beispiel beim Kochen des Frühstückeis, welches nicht wieder weicher gekocht werden kann, wenn es erst einmal ein „hartes Ei“ geworden ist. Die Denaturierung von Proteinen führt in der Regel dazu, dass das Molekül inaktiviert wird, das heißt, dass das Molekül seine biologische Funktion nicht mehr oder nur in geringerem Maße ausführen kann.

Allen Denaturierungsvorgängen ist gemeinsam, dass kovalente Bindungen (außer den Disulfid-Brücken in Proteinen) nicht gespalten werden. Die Kettenstruktur und damit die Abfolge der Bausteine (Primärstruktur) bleibt also erhalten. Durch Energiezufuhr werden aber die einzelnen Bausteine, d.h. Nukleotide und Aminosäuren, oder auch die ganze Molekülkette, so sehr ins Schwingen gebracht, dass Bindungen und wirkende Kräfte (Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Effekte, Disulfidbrücken) zwischen verschiedenen Bereichen der Molekülkette gespalten bzw. aufgehoben werden.

Denaturierung durch physikalische Einflüsse

Die häufigsten Denaturierungen unter physikalischem Einfluss sind die Hitzedenaturierung und die Strahlungsdenaturierung. Physikalisch kann Denaturierung daneben auch durch starkes Rühren, Schütteln, durch Ultraschalleinwirkung und durch Grenzflächenabsorption hervorgerufen werden.^[2]

Hitzedenaturierung

Die Wärme- oder Hitzedenaturierung ist eine Art der Denaturierung, bei der eine Veränderung der Molekülstruktur durch (zumeist) hohe Temperaturen herbeigeführt wird. Durch die Hitzeeinwirkung können sich neue/andere Bindungen zwischen Kettenabschnitten oder auch zu benachbarten Molekülen ausbilden, wodurch häufig eine Veränderung der (Sekundärstruktur und) Tertiärstruktur bei Enzymen und anderen funktionellen Proteinen eintritt. Dies kann oft einen Verlust der biologischen Aktivität sowie eine Abnahme der Löslichkeit zur Folge haben. Letzteres macht sich dann als „Ausflocken“ oder „Gerinnung“ bemerkbar. Eine Hitzedenaturierung kann (wie andere Denaturierungen) reversibel (umkehrbar) sein, wenn die strukturellen Veränderungen noch nicht zu tiefgreifend sind, häufig ist sie aber irreversibel (unumkehrbar). Die Temperatur, bei der die Denaturierung der Proteine beginnt, ist je nach Aufbau und Organismus recht unterschiedlich. Die Enzyme hyper-thermophiler Archaeen müssen Temperaturen weit über 80 °C aushalten.

Beim Menschen können beispielsweise Proteine bei sehr hohem Fieber über 40°C denaturieren. Solange das Fieber nicht allzu lange anhält, ist dieser Vorgang reversibel, bei Fieber über 42°C jedoch irreversibel. Nach etwa sechs Stunden kann es allerdings Probleme bei der Wiederherstellung der nativen Struktur der Proteine geben, auch wenn 42°C nicht erreicht wurden. Wenn die Enzyme aus dem Grundstoffwechsel nicht mehr „arbeiten“, ist die Versorgung des Körpers mit Energie nicht mehr in geeignetem Maße möglich (zum Beispiel, wenn Enzyme der Atmungskette nicht mehr funktionieren und die Zellen nicht mehr mit der lebenswichtigen Energie versorgt werden). Der Tod tritt ein. Bestimmte Moleküle wie Chaperone und Hitzeschockproteine helfen bei der Erhaltung und der Wiederherstellung der Struktur der Proteine.

Fieber dient der Inaktivierung von Krankheitserregern, die dieser Temperatur nicht gewachsen sind. Dabei ist aber zu beachten, dass manche Organismen zum Beispiel aus heißen Quellen selbst kochendes Wasser gut vertragen, so existiert beispielsweise die Archaee Pyrolobus fumarii bei 113 °C.

Durch Autoklavieren werden Krankheitserreger auf Gegenständen mittels Denaturieren lebenswichtiger Biopolymere inaktiviert. Beim Autoklavieren muss eine Temperatur deutlich über 100°C bei erhöhtem Druck über eine vorgegebene Zeit eingehalten werden, um sicher zu sterilisieren.

Nucleinsäuren denaturieren innerhalb eines recht engen Temperaturintervalls, auch „Schmelzpunkt“ genannt, der meist oberhalb von 80 °C liegt. Die Denaturierung ist reversibel. Durch ein Abkühlen der Nucleinsäuren lagern sich die Einzelstränge wieder zusammen. Diesen Vorgang macht man sich in der Molekularbiologie bei der Durchführung von PCR zunutze, um bestimmte Gene aus einem Organismus in vitro zu vervielfältigen: extrahierte DNA wird bei hohen Temperaturen in einem Reaktionsgefäß geschmolzen (Denaturierung). Anschließend wird die Temperatur wieder bis zu einer bestimmten Temperatur abgesenkt. Diese Annealing-Temperatur hängt von den Primern ab und liegt normalerweise 2–3 °C unter ihrem Schmelzpunkt (50 bis 65 °C). Die in der Lösung enthaltenen Primertemplates lagern sich an die DNA-Einzelstränge an (Annealing oder auch Primerhybridisierung genannt). Nun werden mit Hilfe einer Taq-Polymerase die Stränge wieder vervollständigt (Elongation). Der Zyklus von Denaturierung, Annealing und Elongation beginnt von vorn. Es werden etwa 25 bis 50 Zyklen durchgeführt. Man macht sich also die reversible Denaturierung der DNA bis zu 50 Mal zunutze, um ein gesuchtes Gen eines Organismus zu vervielfältigen.

Denaturierung durch energiereiche Strahlung

Wie die Übertragung von Energie mittels Infrarotlicht kann auch jede andere Energieübertragung, zum Beispiel durch UV-Licht, Mikrowellen oder andere Strahlung, denaturierend wirken. Allerdings können energiereiche Strahlen wie UV-Licht, Gamma- und Röntgenstrahlen insbesondere auch mit kovalenten Bindungen besonders von Nukleinsäuren interagieren und zu Kettenbrüchen (Depolymerisationen) führen. Umgekehrt kann energiereiche Strahlung auch zusätzliche kovalente Bindungen (zum Beispiel Dimerisierung in Nukleinsäuren) bewirken.

Denaturierung durch chemische Einflüsse

Ursachen der Proteindenaturierung können zum Beispiel chemische Substanzen wie Säuren, Basen, Salze, Detergentien (z. B. 1 %-ige Lösung von Natrium-Dodecylsulfat-Lösung), Harnstoff oder Guanidin sein.^[3] Proteinstrukturen können auch durch Schwermetalle zerstört werden, da die Ionen Komplexstrukturen mit den Aminosäureresten bilden und so die signifikante Struktur des Proteins verändern.

Säure- und Lauge-Denaturierung

Die Säuredenaturierung führt zu Ladungsverschiebungen zwischen den Molekülen und letzten Endes zum selben Ergebnis wie die Hitzedenaturierung. Die Säure gibt Protonen (H⁺) ab und verursacht damit die Ladungsänderung in der Proteinstruktur, sodass die Wasserstoffbrückenbindungen teilweise zerstört werden.
Zusätzlich gibt die Säure Protonen (H⁺) an die Carboxylatgruppe (COO⁻) ab, sodass eine Carboxygruppe –COOH entsteht. Dies führt dazu, dass keine ionischen Wechselwirkungen in dem Protein mehr möglich sind. Entsprechendes können Laugen bewirken, auch sie ändern die Quantität der Ionen (den pH-Wert).

Denaturierung durch Salze

Auch Salze haben einen Einfluss auf hydrophobe Effekte und können daher Denaturierung hervorrufen, wobei je nach Salz, der Einfluss auch in Richtung Renaturierung gehen kann. Man spricht dann, bezüglich der Ausfällung, auch von "Einsalzen" und "Aussalzen". Der relative Einfluss der die Salze bildenden Anionen und Kationen wird durch die berühmte "Hofmeister-Reihe" beschrieben.

Denaturierung durch Ethanol

Entsprechend der Säuredenaturierung kann Ethanol die in Biopolymeren zur Aufrechterhaltung der Struktur erforderlichen Wasserstoffbrücken stören, indem er als polares Lösungsmittel interferiert. 50 bis 70%-iges Ethanol denaturiert die meisten Proteine und Nukleinsäuren. Da durch Zerstörung der Raumstruktur Membranproteine ihre Funktion verlieren und die betreffenden Zellen luftballonartig platzen, kann so mit höherprozentigem Ethanol desinfiziert werden: Bakterien- und Pilzzellen werden über die Denaturierung ihrer Membranproteinen irreversibel inaktiviert, entsprechend werden behüllte Viren ihrer proteinhaltigen Hülle beraubt.

Denaturierung durch reines Wasser

Proteine liegen in ihrer natürlichen Umgebung in Gegenwart von anderen Proteinen, gelösten Salzen oder anderen biologischen Metaboliten vor, die auf mehr oder weniger komplexe Weise die natürliche Proteinstruktur stabilisieren. Entfernt man Salze und andere kleinere Moleküle durch Dialyse einer Proteinlösung gegen bidestilliertes Wasser – vorzugsweise in der Kälte –, kann man oft selektive (und reversible) Denaturierung vor allem von großen Proteinen erreichen, die unter diesen Bedingungen ausgefällt werden (präzipitieren).

Abgrenzung zu anderen Veränderungen

Nicht als Denaturierung bezeichnet werden die durch Eiweiße vermittelten Strukturänderungen:

1. durch Enzyme synthetisierte, umgewandelte oder abgebaute Moleküle, Aktivierungs- und Deaktivierungsreaktionen
2. Konformationsänderungen durch Chaperone oder Prionen.

Bei sehr hoher Temperatur kann es auch zur Spaltung kovalenter Bindungen und damit zu Kettenbrüchen (Depolymerisation) kommen. Solche Änderungen der Primärstruktur werden nicht zu den Denaturierungen gezählt. Ebenso können Säuren wie Laugen bei hohen Konzentrationen und Reaktionstemperaturen zur Spaltung kovalenter Bindungen führen. Durch Hydrolyse ändert sich dann die Primärstruktur. Solche Veränderungen der Primärstruktur sind gewöhnliche chemische Reaktionen und werden nicht zu den Denaturierungen gerechnet.

Ein Grenzfall ist die Spaltung von Disulfidbrücken zwischen zwei Proteinsträngen. Dabei wird zwar eine kovalente chemische Bindung gelöst, die Aminosäuresequenz in jedem einzelnen Strang bleibt jedoch erhalten, deshalb zählt eine solche reduktive Spaltung von Disulfidbrücken (prinzipiell reversibel!) zu den Denaturierungen.^[4]

Weblinks

• Animation: Protein-Denaturierung

Einzelnachweise

1. ↑ Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 402, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
2. ↑ Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 403, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
3. ↑ Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 403-404, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
4. ↑ Brockhaus ABC Chemie, VEB F. A. Brockhaus Verlag Leipzig 1965, S. 274.