Denaturierung

Denaturierung Definition

In der Biochemie ist die Denaturierung als ein Prozess definiert, bei dem eine Molekülstruktur von ihrem ursprünglichen Zustand abweicht, wenn sie einem Denaturierungsmittel ausgesetzt wird. In der Biologie sind Beispiele für Biomoleküle, die denaturieren, Proteine und Nukleinsäuren (z. B. DNA). Ein denaturiertes Protein ist z. B. ein Protein, dessen dreidimensionale (3D-) Struktur durch die Einwirkung bestimmter chemischer oder physikalischer Faktoren (sog. Denaturierungsmittel) gestört ist. Denaturierungsmittel können in Form von Hitze, Strahlung, Säure, Lösungsmitteln usw. auftreten. Wenn ein Protein einem Denaturierungsmittel ausgesetzt wird, wird seine Struktur verändert, was zum Verlust seiner angeborenen biologischen Aktivität und Funktion führt. Neben Proteinen können auch Nukleinsäuren, wie z. B. die DNA, denaturiert werden. Wird die DNA beispielsweise Hitze ausgesetzt, kann sich ihre 3D-Struktur verändern. Vom ursprünglichen doppelsträngigen Zustand kann sie sich durch die Dissoziation der beiden Stränge durch Erhitzung in ein einzelsträngiges Molekül verwandeln.

In der Lebensmittelindustrie wird Denaturierung als der Prozess definiert, bei dem Lebensmittel oder Getränke (z. B. Alkohol) durch absichtliche Verfälschung von Lebensmitteln oder Getränken (z.B. durch Zusatz einer schädlichen Substanz) für den menschlichen Verzehr ungeeignet zu machen.

Etymologie

Der Begriff Denaturierung ist eine Kombination aus „denaturieren“ und der Endung – „ion“. Das Wort Denaturierung stammt aus dem Französischen „dénaturer“, das wiederum aus dem Lateinischen „dis“-, was „auseinander“ bedeutet, und „nātūra“ für „Natur“ stammt.

Arten der Denaturierung

Die Arten der Denaturierung können auf der Ursache basieren: (1) biologisch-induziert oder (2) nicht-biologisch-induziert.

Biologisch-induzierte Denaturierung

Dies ist eine Form der Denaturierung, die in biologischen Systemen auftritt. Dazu gehören die biologisch wichtigen DNA-Prozesse, wie die DNA-Replikation, die Transkription, die DNA-Reparatur. Bei diesen Prozessen wickelt sich die doppelsträngige DNA ab und die beiden Stränge werden teilweise getrennt, wodurch die sogenannte „Blase“ entsteht. Bei der Transkription zum Beispiel wickelt sich ein Teil der DNA ab und bildet eine Transkriptionsblase, von der aus eine Stelle in der Blase als Andockstelle für die RNA-Polymerase dient. (Ref.1)

Nicht-biologisch induzierte Denaturierung

Bei der nicht-biologisch induzierten Denaturierung handelt es sich um einen Prozess, der nicht biologischer Natur ist, sondern durch andere äußere Einflüsse verursacht wird, die chemisch oder physikalisch sein können. Chemikalien, wie Schwermetalle und Metalloide, können biomolekulare Strukturen stören. Sie verursachen die Denaturierung von Proteinen auf unterschiedliche Weise. Zum Beispiel werden Proteine denaturiert, wenn diese Chemikalien über ihre funktionellen Seitengruppen reagieren oder wenn sie die Aminosäureseitenketten oxidieren. Sie können auch dazu neigen, Metallionen in Metalloproteinen zu dislozieren. (Ref.2) Abgesehen von der direkten Störung der Proteinstruktur können Chemikalien (Säuren oder Basen) die Denaturierung auch durch Änderungen des pH-Werts herbeiführen. Säuren, die den physiologischen pH-Wert auf 5 oder niedriger sinken lassen, können zur sogenannten säureinduzierten Proteinentfaltung führen; Basen, die den pH-Wert auf 10 oder höher ansteigen lassen, führen möglicherweise zur baseninduzierten Proteinentfaltung. (Ref.3) Was die physikalischen Faktoren betrifft, so gehören zu den Umweltbelastungen, die eine Denaturierung von Proteinen und Nukleinsäuren verursachen können, extreme Temperatur, Strahlung, Salzgehalt, Druck und elektronegative Moleküle in der Atmosphäre (z. B. Stickstoff und Sauerstoff); sie können die Wasserstoffbrückenbindungen in einem Biomolekül aufbrechen.

Effekte der Denaturierung in Biomolekülen

Die Denaturierung bewirkt, dass ein Biomolekül, wie z. B. eine Nukleinsäure oder ein Protein, von seinem ursprünglichen Strukturzustand abweicht. Das bedeutet, dass die Reihenfolge der monomeren Einheiten, aus denen das Molekül besteht, gleich bleiben kann. Was bei der Denaturierung gestört wird, ist die ursprüngliche 3D-Struktur des Biomoleküls. So entfalten sich z. B. die Enzyme (katalytische Proteine) und verlieren ihr aktives Zentrum, wenn sie mit denaturierenden Mitteln (z. B. starken Säuren oder Basen, Hitze, Lösungsmitteln und Salzen) behandelt werden. Die Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren in einer Sequenz sind nicht so anfällig für Denaturierung wie die Wasserstoffbrückenbindungen. Was also durch die Denaturierung gestört wird, ist die strukturelle Faltung der denaturierten Enzyme. Die Störung der strukturellen Faltung bedeutet, dass ihre 3D-Form beschädigt wird und ihre Funktion als Katalysator biologischer Reaktionen verloren geht. Wie das? Einer der posttranslationalen Schritte der Proteinsynthese ist die Proteinreifung. Das neu-synthetisierte Protein erscheint als lineares Polymer aus Aminosäuren. Dann faltet es sich entsprechend, um ein 3D-Molekül zu werden. Die 3D-Form wird durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb seiner Struktur erreicht. Das Endergebnis ist ein reifes Protein mit einer unverwechselbaren Form und einer „aktiven Stelle“, an die spezifische Substrate binden können. Wenn ein Protein jedoch einem Denaturierungsmittel ausgesetzt wird, werden die Wasserstoffbrücken, die zur Bildung der 3D-Struktur des Proteins beitragen, gebrochen. Dies führt zu einer Störung der Proteinstruktur. Auch die „aktive Stelle“ geht verloren. Somit können die Substrate, die ursprünglich an die aktive Stelle des Enzyms binden können, nach der Denaturierung nicht mehr an sie binden. Dadurch wird auch der biochemische Prozess, der durch die Bindung von Enzym und Substrat in Gang gesetzt wird, gestört. Dies erklärt, warum extreme Bedingungen, wie z. B. die Einwirkung von längerer Strahlung, Hitze und starken Chemikalien, für Organismen tödlich sein können. Diese Denaturierungsmittel können die Wasserstoffbrückenbindungen brechen, die zur Bildung der 3D-Konfiguration dieser Biomoleküle beitragen. Offensichtlich sind Wasserstoffbrücken eine schwache Art von chemischen Bindungen; sie brechen leicht, wenn sie Hitze, Strahlung und anderen Stressfaktoren ausgesetzt werden.

Das Vorhandensein von denaturierten Proteinen oder denaturierten Nukleinsäuren impliziert eine mögliche Störung der Zellaktivität. Gelingt es der Zelle nicht, die Störung zu korrigieren, droht ihr der vorzeitige Zelltod. Die Proteine können ihren natürlichen aktiven Zustand wiedererlangen, wenn das Denaturierungsmittel entfernt wird. Es gibt jedoch Fälle, in denen der Prozess irreversibel ist. Proteine müssen richtig gefaltet sein, um funktionsfähig zu werden. Nukleinsäuren wiederum müssen ihre strukturelle Stabilität beibehalten, um das potenzielle Risiko einer Mutation zu minimieren. Andernfalls besteht die Gefahr, dass der Körper eine Krankheit entwickelt. Die Denaturierung und Aggregation von Proteinen ist der Grund für Blindheit, Alzheimer und viele andere neurodegenerative Krankheiten. (Ref.4)

Denaturierung, die eine Veränderung der chemischen Struktur mit sich bringt, ist nicht geeignet, die Alkoholdenaturierung in der Lebensmittelindustrie zu erklären. Es ist ein anderer Aspekt. Bei der Denaturierung handelt es sich nicht um eine Strukturveränderung, sondern lediglich um die Zugabe einer schädlichen Substanz zu einem Lebensmittel oder Getränk. Denaturierter Alkohol beispielsweise wird in seiner chemischen Struktur nicht verändert, sondern nur mit Zusätzen versehen, die ihn für den Menschen ungenießbar machen.

Funktionen der Denaturierung

Auf zellulärer Ebene ist die Denaturierung ein entscheidender Schritt, insbesondere bei vielen DNA-Prozessen (wie oben beschrieben). Er „öffnet“ die DNA teilweise und ermöglicht den Fortgang der Replikation oder Transkription. Andernfalls können die DNA-Stränge in Vorbereitung auf die Mitose oder bei der Erstellung eines mRNA-Transkripts für die Proteinübersetzung nicht kopiert werden. Auf der Ebene des biologischen Systems wird die Denaturierung vom Körper genutzt, um Krankheitserreger abzutöten. Er tut dies durch pH-Regulierung und biochemische Sekretion. Die Denaturierung ist auch bei der Nahrungsverdauung wichtig. Proteine in der Nahrung werden durch die Wirkung der freigesetzten Verdauungsenzyme denaturiert.

Im medizinischen Bereich wird das gleiche Prinzip bei der Verwendung eines Denaturierungsmechanismus bei der Abtötung von Bakterien, Viren und anderen krankmachenden Zellen angewandt. Im Labor und in der Forschung ist die Denaturierung ein beliebter Prozess in der Polymerase-Kettenreaktion, einer Technik, mit der schnell mehrere In-vitro-Kopien der DNA hergestellt werden können.

Verwandte Begriffe

• Alkali-Denaturierungstest

Siehe auch

• Protein
• Nukleinsäure

1. Transkription (Biologie) | Biologie Artikel, Tutorials & Wörterbuch Online. (2019). Abgerufen von Biology Articles, Tutorials & Dictionary Online website: https://www.biologyonline.com/dictionary/transcription-biology/
2. Tamás, M. J., Sharma, S. K., Ibstedt, S., Jacobson, T., & Christen, P. (2014-03-04). „Schwermetalle und Metalloide als Ursache für Proteinfehlfaltung und Aggregation“. Biomolecules. 4 (1): 252-267.
3. Konermann, L. (2012-05-15). Protein Unfolding and Denaturants. eLS. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd.
4. Meredith, S. C. (2005). Protein denaturation and aggregation: Cellular responses to denatured and aggregated proteins. Annals of the New York Academy of Sciences, 1066, 181-221. https://doi.org/10.1196/annals.1363.030