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Denaturierung

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Denaturierung

Morgens ein hart gekochtes Ei oder mal ein Spiegelei zum Frühstück essen: Das kennst Du wahrscheinlich. Doch dieser Vorgang, dass das flüssige Eiweiß und Eigelb überhaupt hart werden kann, nennt sich Denaturierung. Das Hühnerei wird beim Kochen fest, weil sich der räumliche Aufbau der Proteinmoleküle geändert hat. Die Denaturierung kann dabei nicht mehr rückgängig gemacht werden und das Hühnerei bleibt hart.

Doch außer diesem Beispiel mit dem Hühnerei gibt es noch viele weitere Arten der Denaturierung, die auch nicht nur durch Hitze ausgelöst werden können und diese lernst Du hier kennen.

Die Denaturierung ist eine strukturelle Veränderung von Biomolekülen, wie Proteinen (Eiweißen) oder der Desoxyribonukleinsäure (DNS). Dabei wird durch bestimmte äußere Einflüsse die Proteinstruktur verändert. Das betrifft insbesondere die Sekundärstruktur, Tertiärstruktur und zum Teil auch die Quartärstruktur der Proteine.

Denaturierung: Rückblick Proteine

Proteine sind Makromoleküle, die aus Aminosäuren bestehen. Sie sind neben Kohlenhydraten und Fetten eine der wichtigsten Nährstoffklassen, die Du in Deinem Körper zum gesunden Leben benötigst.

Proteinstruktur

Proteine bestehen aus verschiedenen Strukturen. Dabei hat jedes Protein eine Primärstruktur, eine Sekundärstruktur und eine Tertiärstruktur. Die Primärstruktur wird auch als Aminosäuresequenz bezeichnet. Sie beschreibt die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein.

Bei der Sekundärstruktur geht es dann darum, wie diese Primärstruktur gefaltet ist. Da die Primärstruktur nur eine Aminosäurekette ist, kann diese durch elektrostatische Wechselwirkungen verschiedenen mögliche Strukturen, wie die α-Helix oder das β-Faltblatt annehmen.

Unter der Tertiärstruktur versteht man den übergeordneten räumlichen, also dreidimensionalen Aufbau von Proteinen. Die Tertiärstruktur eines Proteins ist aus mehreren Sekundärstrukturen zusammengesetzt. So treten entlang der Aminosäurekette mehrere Bereiche mit α-Helices oder β-Faltblättern auf und ergeben so eine räumliche Gesamtstruktur.

Eine Quartärstruktur bildet sich aus, wenn Proteine aus mehreren Aminosäureketten bestehen. Dies trifft auf den beispielsweise auf den Blutfarbstoff Hämoglobin und das Faserprotein Kollagen zu.

Denaturierung Proteinstruktur StudySmarterAbbildung 1: Proteinstrukturen Quelle: abiweb.de

Proteine und ihre Funktionen

Proteine sind an den meisten Abläufen und Prozessen in Deinem Körper beteiligt. Wenn Du das Wort Protein hörst, denkst Du vielleicht zuerst an Menschen, die Kraftsport treiben. Diese nehmen besonders viel Protein zu sich, um schnell viel Muskelmasse aufzubauen.

Proteine helfen tatsächlich bei der Muskelbewegung und dienen vor allem als sättigender Energielieferant, welcher auch beim Transport anderer wichtiger Nährstoffe hilft. Auch als Hormone oder Antikörper helfen Dir Proteine, den Alltag zu meistern.

Allgemeines zur Denaturierung

Die Denaturierung ist oft irreversibel (unumkehrbar), der ursprüngliche räumliche Aufbau kann also nicht wiederhergestellt werden. Es gibt allerdings auch reversible (umkehrbare) Veränderungen, die durch die Neutralisation der Situation wieder rückgängig gemacht werden können.

Ein Beispiel ist die Hitzedenaturierung der DNA. Kühlt die DNA ab, lagert sie sich wieder zu Doppelsträngen zusammen.

In der Regel führt die Denaturierung dazu, dass das Molekül seine Funktion, die in der Molekularbiologie oft in enger Verbindung mit der Struktur steht, nicht mehr korrekt ausführen kann. Allerdings ändert sich die Reihenfolge der Aminosäuren, also die Primärstruktur des Proteins, normalerweise nicht, da die kovalenten Bindungen in der Regel nicht gespalten werden.

Sonderfall: Denaturierung der DNA

Als Denaturierung der DNA betrachtet man die Trennung von doppelsträngiger DNA in zwei Einzelstränge durch thermisches oder chemisches Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen. Menschliche DNA wird ab ungefähr 90 °C denaturiert.

Ursachen von Denaturierungen

Es gibt viele mögliche Ursachen für eine Denaturierung. Chemische Substanzen wie Säuren und Basen können eine Proteindenaturierung auslösen, aber auch physikalische Einflüsse wie extreme Temperaturen oder UV-Strahlung.

Denaturierung durch physikalische Einflüsse

Physikalische Einflüsse, die eine Denaturierung auslösen können, sind Hitze, Strahlung und Druck. Eine Denaturierung kann jedoch auch durch starkes Rühren, Schütteln oder Ultraschall begünstigt werden.

Denaturierung durch Hitze

Wenn eine Deanturierung durch Hitze herbei geführt wird, musst du als erstes immer daran denken, dass Hitze gleich Bewegungder Teilchen und das gleich Energie bedeutet. So wird dem jeweiligen Molekül also Energie hinzugegeben. Diese Energie kann bestehende Bindungen, wie beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen außer Kraft bringen und so auch die Struktur des jeweiligen Molekül bis hin zur kompletten Deanturierung bringen. Dabei bleiben meistens nur die Primärbindungen bestehen, welche aus starken kovalentne Bindungen bestehen. Alle anderen Bindungen sind schneller aufzubrechen.

Denaturierung Hitze Tertiärstruktur StudySmarterAbbildung 2: Denaturierung durch Hitze Quelle: wikipedia.org

Wenn ein Molekül. beispielweise ein Protein denaturiert wird, verliert dieses durch die veränderte Struktur meistens auch an biologischer Aktivität und somit auch an Effektivität.

Dieser Zustand kann dabei reversibel sein. Das heißt, dass bei abnehmender Hitzeinwirkung die Bindungen von selbst wiedre zusammenfinden können und so das Protein wieer funktionsfähg wird. Das kann der Fall sein, jedoch ist eine Denaturierung in den meisten Fällen irreversibel.

Die Temperatur, bei der Proteine zu denaturieren beginnen, variiert je nach Struktur und Organismus. Beispielsweise werden Nukleinsäuren in einem sehr engen Temperaturbereich ab 80 °C denaturiert.

Erinnerst Du Dich noch an das Hühnerei? Es wird beim Kochen fest, weil sich der räumliche Aufbau der Proteinmoleküle geändert hat. Der ursprüngliche, flüssige Zustand kann nach der Denaturierung nicht mehr hergestellt werden, der Vorgang ist also irreversibel.

Auch in unserem Körper kann es zu Denaturierungen kommen. Eine Ursache dafür ist Fieber. Dieser Vorgang ist normalerweise reversibel, solange das Fieber nicht lange anhält. Die Proteine des Organismus erreichen ihr Aktivitätsmaximum im Normalfall bei einer Temperatur von 35 bis 39 °C. Körpertemperaturen über 40 °C können bei Enzymen, also Proteinen, die Stoffe umsetzen, daher eine Denaturierung auslösen und somit wichtige Stoffwechselprozesse des Körpers beeinträchtigen.

Denaturierung durch Druck

Bei der Denaturierung durch Druck wird in der Regel die Tertiär- und Quartärstruktur der Proteine beeinflusst, während die Sekundärstruktur nur selten verändert wird.

Dieser Prozess ist bei der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln wichtig. Dazu werden die Lebensmittel, zumeist in Folien verpackt, in ein Druckmedium wie Wasser gegeben und Druck auf dieses Medium ausgeübt. Dieses nicht-thermische Verfahren, auch Hochdruckpasteurisierung genannt, deaktiviert unerwünschte Mikroorganismen, sodass die Lebensmittel haltbar gemacht werden. Qualitätsverluste, wie es sie beispielsweise bei der Anwendung von Hitze geben kann, werden dabei vermieden.

Denaturierung durch Strahlung

Eine weitere Denaturierungsart ist die Strahlungsdenaturierung. Dazu zählen Strahungen, die du bereits aus der Mikrowelle kennst, aber auch Infrarotstrahlen und ähnliche langwellige Strahlungen. Durch diese langwelligen Strahlungen kommt es auch hier zu einer Hitzeentwicklung und so zu Schwingungen, die mit ihrer Energie, die Bindungen in Molekülen aufbrechen können.

Denaturierung durch chemische Einflüsse

Chemische Einflüsse für eine Denaturierung können Säuren, Laugen, Ethanol oder Schwermetalle sein.

Denaturierung durch Säuren

Durch die Hinzugabe von Säuren zu den entsprechenden Molekülen kann es innerhalb dieser Molekül zu einer Ladungsverschiebung kommen. Durch die Abgabe von Protonen (H+) könne Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen werden. Das kann widerum bewirken, dass sich die Tertiärstruktur, also die Faltung der Moleküle beziehungsweise Proteine verändert. Durch diese Umfaltung strebt das Molekül dann einen Zustand an, welcher enegetisch komfortabler ist.

Außerdem kann durch die zusätzlichen Protonen der Säure eine negative Ladung an den Proteinen verschwinden, was wieder einen energetisch optimierten Zustand verspricht.

Denaturierung Strukturformel Aspartat StudySmarterAbbildung 3: Strukturformel von Aspartat

Denaturierung Strukturformel Glutamat  StudySmarterAbbildung 4: Strukturformel von Glutamat

Denaturierung durch Laugen

Bei Laugen handelt es sich um das gleiche Prinzip wie bei Säuren. Hierbei werden jedoch die Proteine deprotoniert. Das heißt ihnen wird ein H+ entzogen. So werden positive Ladungen verringert, mehr netaive Ladungen könne auftreten und durch eine Deprotonierung können zudem auch weitere Wasserstoffbrückebindungen zerstört werden.

Denaturierung Strukturformel Lysin StudySmarterAbbildung 5: Strukturformel von LysinDenaturierung Strukturformel Histidin StudySmarterAbbildung 6: Strukturformel von HistidinDenaturierung Strukturformel Arginin StudySmarterAbbildung 7: Strukturformel von Arginin

Denaturierung durch Ethanol oder andere wasserlösliche, organische Lösungsmittel

Ähnlich wie bei der Säuredenaturierung können Ethanol oder andere wasserlösliche, organische Lösungsmittel die zur Aufrechterhaltung der Struktur erforderlichen Bindungen stören, indem sie als polare organische Lösungsmittel funktionieren. Durch 50- bis 70-prozentiges Ethanol werden die meisten Proteine denaturiert. Mit hochprozentigen Alkoholen, zum Beispiel Ethanol und Isopropanol, kann desinfiziert werden, da die Bakterien- und Pilzzellen durch die Denaturierung ihrer Membranproteine und die Durchlöcherung ihrer Zellmembran irreversibel inaktiviert werden.

Denaturierung durch Schwermetalle

Eine Denaturierung von Proteinen kann auch durch Schwermetalle erfolgen. Wenn diese Ionen Komplexstrukturen mit den Aminosäureresten der Proteine bilden, kann die signifikante Struktur des Proteins verändert und zerstört werden. Darum ist die Schwermetallanreicherung im Körper ein großes Problem.

Renaturierung

Die Renaturierung ist das Wiederherstellen des Zustandes, der vor der Denaturierung herrschte. Nicht jeder Stoff kann renaturiert werden. Oben im Beispiel konntest du schon lesen, dass beispielsweise das Hühnerei und die darin enthaltenen Eiweiße nicht renaturiert werden können.

So ergibt sich für die Stoffe, die reversibel denaturiert werden können ein Kreislauf. Bei diesem durchläuft das normle Protein die Denaturierung und liegt damit dann in denaturierter Form vor. Diese kann durch die Renaturierung wieder zusamengestezt werden und so kann der Kreislauf immer weiter wiederholt werden. Diese Kreislauf siehst du auch im unteren Bild dargestellt.

Denaturierung Renaturierung StudySmarterAbbildung 8: De-/ Renaturierung Quelle: istockphoto.com

Renaturierung der DNA

Aber zum Beispiel die DNA kann wieder renaturiert werden. Das ist bei der DNA ein einfacher einstufiger Prozess, wenn die beiden DNA-Stränge noch durch doppelhelikale Segmente aus 12 oder mehr Nucleotiden verbunden sind. Wenn dann die entsprechenden Gegebenheiten eingerichtet sind, wie Temperatur und pH-Wert, fügt sich die DNA wieder zusammen.

So könne auch einzelne Teile der DNA ersetzt werden, die durch die Deanturierung rausgelöst worden sind. Denn bei der Reanturierung werden auch nicht immer die selben Nukleotide zurück in die DNA eingefügt.

Falls die DNA nur noch aus zwei vollständig getrennten Einzelsträngen besteht, müssen vor dem Zusammenfügen erst in einem langsamen Schritt kurze Segmente zufällig zu einem doppelsträngigen Bereich zusammengesetzt werden. Erst dann im zweiten schnellen Schritt wird nach dem Reißverschlussprinzip eine vollständige Doppelhelix generiert.

Wo findet Denaturierung statt?

Hier eine kurze Übersicht über einige Gebiete, in denen die Denaturierung stattfindet und Anwendung findet.

  • In Tieren: Hier findet zum Beispiel eine Denaturierung mithilfe von Magensäure von Proteinen der Nahrungseiweiße im Magen statt (endogene Protease).
  • Bei Lebensmitteln: Die Denaturierung wird oft bei der Herstellung von proteinhaltigen Lebensmitteln verwendet, zum Beispiel beim Garen, sowie bei der Herstellung von Tofu. Dies hat den Zweck, dass die Verdauung erleichtert wird und unerwünschte Mikroorganismen abgetötet werden.
  • In der Kosmetik: Bei der Erzeugung einer Dauerwelle werden Haare denaturiert, um ihre Form zu verändern.
  • In der Biochemie: In der Biochemie wird die Denaturierung zur Entfaltung von Proteinen eingesetzt, zum Beispiel bei einer Proteinsequenzierung. Bei einer Bindung von Molekülen an ein Protein kann die Thermostabilität, also die Widerstandfähigkeit bei hohen Temperaturen, des Proteins erhöht werden.

Bei der Proteinsequenzierung wird bestimmt welche Komponenten sich in der Aminosäureabfolge des Proteins befinden. Durch diese Sequenzierung kann man beispielweise erkennen, ob und wieso ein Protein nicht so funktioniert, wie es normalerweise sein sollte.

Denaturierung - Das Wichtigste

  • Durch die Denaturierung werden Biomoleküle wie zum Beispiel Proteine strukturell verändert. Das betrifft normalerweise nur die Sekundär-, Tertiär-, und Quartärstruktur, nicht die Primärstruktur des Proteins.
  • Dieser Vorgang kann unter gewissen Umständen reversibel (umkehrbar) sein, ist aber meist irreversibel (unumkehrbar).
  • Das Molekül kann seine Funktion aufgrund der veränderten Struktur oft nicht mehr korrekt ausführen.
  • Ursachen für eine Denaturierung können sowohl physikalische, als auch chemische Einflüsse sein, wie zum Beispiel extreme Temperaturen, UV-Strahlung, Säuren oder Basen oder Schwermetalle.
  • Die Denaturierung findet sowohl bei der Herstellung und Haltbarmachung von Lebensmitteln, in der Biochemie, aber auch in der Kosmetikbranche Anwendung.
  • Ein bekanntes Beispiel für eine Denaturierung ist das Eiweiß und Eigelb im Hühnerei, das beim Kochen fest wird.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Denaturierung

Bei der Denaturierung kommt es zur strukturellen Veränderung von Molekülen, die dabei meist in kleinere Einzelteile zerfallen. 

Menschliche DNA denaturiert circa bei einer Temperatur von 90 °C.

Durch die Hitze wird dem Protein Energie zugefügt, diese Energie zertrennt die Bindungen in dem Protein und so denaturiert dieses.

Durch die Hitze wird dem Enzym Energie zugefügt, diese Energie zertrennt die Bindungen innerhalb des Enzyms und so denaturiert dieses.

Finales Denaturierung Quiz

Frage

Wie heißt die DNA/DNS ausgeschrieben?

Antwort anzeigen

Antwort

Die DNA/DNS heißt ausgeschrieben Desoxyribonukleinsäure/ Desoxyribonucleinacid.

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Frage

Wie heißt die umgekehrte Form der Denaturierung?

Antwort anzeigen

Antwort

Die umgekehrte Form der Denaturierung heißt Renaturierung.

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Frage

Ab welcher Temperatur wird menschliche DNA denaturiert?


Antwort anzeigen

Antwort

Menschliche DNA wird ab circa 90 °C denaturiert.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Primärstruktur?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Primärstruktur ist die Aneinanderreihung von verschiedenen Aminosäuren.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Sekundärstruktur?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Sekundärstruktur ist die Faltung der Aminosäurekette zu beispielsweise -Helix- oder -Faltblatt-Struktur.

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Frage

Was ist die Tertiärstruktur?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Tertiärstruktur ist die Gesamtheit aller Sekundärstrukturen innerhalb des Proteins.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Quartärstruktur?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Quartärstruktur ist die Aneinanderlagerung verschiedener Aminosäureketten zu einem größeren Protein.

Frage anzeigen

Frage

Wofür wird in der Biochemie die Denaturierung eingesetzt?


Antwort anzeigen

Antwort

In der Biochemie wird die Denaturierung, zum Beispiel bei der Sequenzierung, zur Entfaltung der Proteine eingesetzt.

Frage anzeigen

Frage

Durch welchen Auslöser kann es nicht zur Denaturierung kommen?


Antwort anzeigen

Antwort

Kälte

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Frage

Wozu führt die Zugabe von Säure oder Lauge bei Proteinen?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Zugabe von Säure oder Lauge zu Proteinen führt zur Ladungsverschiebung zwischen den Molekülen und schließlich zu einer Umfaltung des Proteins.

Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei der Denaturierung der DNA?


Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Denaturierung der DNA werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen gespalten.

Frage anzeigen

Frage

Welche Struktur (Primär, Sekundär,..) ändert sich normalerweise nicht bei der Denaturierung?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Denaturierung ändert sich normalerweise nicht die Primärstruktur.

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel für die Verwendung von Denaturierung in der Kosmetik.


Antwort anzeigen

Antwort

Ein Beispiel für Denaturierung in der Kosmetik ist die Erzeugung der Dauerwelle.

Frage anzeigen

Frage

Ist ein Protein nach der Denaturierung noch funktionsfähig?


Antwort anzeigen

Antwort

Ein Protein kann nach der Denaturierung aufgrund seiner veränderten Struktur oft nicht mehr seine Funktion erfüllen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein alltägliches Beispiel für eine irreversible Denaturierung.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein alltägliches Beispiel für die irreversible Denaturierung ist das Kochen eines Hühnereis.

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