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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.
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.
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.
Abbildung 1: Proteinstrukturen Quelle: abiweb.de
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Abbildung 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.
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.
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.
Chemische Einflüsse für eine Denaturierung können Säuren, Laugen, Ethanol oder Schwermetalle sein.
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.
Abbildung 3: Strukturformel von Aspartat
Abbildung 4: Strukturformel von Glutamat
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.
Abbildung 5: Strukturformel von Lysin
Abbildung 6: Strukturformel von Histidin
Abbildung 7: Strukturformel von Arginin
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.
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.
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.
Abbildung 8: De-/ Renaturierung Quelle: istockphoto.com
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.
Hier eine kurze Übersicht über einige Gebiete, in denen die Denaturierung stattfindet und Anwendung findet.
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.
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.
Frage
Was ist die Sekundärstruktur?
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Antwort
Die Sekundärstruktur ist die Faltung der Aminosäurekette zu beispielsweise -Helix- oder
-Faltblatt-Struktur.
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