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Stabilität von Proteinen

Denaturierung von Proteinen durch Temperatur

Fast alle Proteine werden durch Hitze irreversibel denaturiert und präzipitiert, weil die Proteine beim Abkühlen aggregieren oder unter Bildung neuer interner Wasserstoff-Brücken nur teilweise bzw. gar nicht mehr in ihre native Konformation zurückfalten können.

Bei einem Anstieg der Temperatur werden eine ganze Reihe von intramolekularen Wechselwirkungen beeinflusst. Zunächst betrifft dies die Interaktionen zwischen weiter entfernt liegenden Bereichen der Polypeptidkette (long-range-Interaktionen), die für die Aufrechterhaltung der Tertiärstruktur essenziell sind. Das Protein wird flexibler und als Folge gelangen auch normalerweise weiter innen liegende Aminosäurereste auf die Oberfläche des Proteins. Dieser Vorgang ist noch reversibel. Bei weiterer Erhitzung werden die internen Wasserstoff-Brücken gelöst, helicale Strukturen brechen auf und die Aminosäuren gehen nun Wasserstoff-Brücken mit Wasser-Molekülen ein. Das Protein entfaltet sich mehr und mehr. Die native Konformation kann nicht wiedererlangt werden, weil die neu gebildeten, unkorrekten Wasserstoff-Brücken erst vollständig gelöst werden müssten, bevor die korrekte Faltung ablaufen kann - und das ist extrem unwahrscheinlich. Das Protein ist nun irreversibel denaturiert.

Die meisten Proteine reagieren sehr empfindlich auf Temperaturerhöhung und werden daher routinemäßig bei 0 bis 4°C gereinigt. Es gibt aber auch hier Ausnahmen: einige Proteine sind bei hohen Temperaturen außerordentlich stabil oder denaturieren sogar in der Kälte. Zu diesen extrem hitzestabilen Proteinen gehören zum Beispiel einige Enzyme thermophiler Archaea, die selbst bei Temperaturen über 100°C nicht denaturieren. Dieses lässt sich dann einfach für die Proteinisolierung ausnutzen, indem das Proteingemisch erhitzt wird und dabei alle nicht hitzestabilen Proteine denaturieren und ausfallen.

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Abb.1
Hitzedenaturierung
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