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Stabilität von Proteinen

Die Denaturierung von Proteinen

Definition
Unter Denaturierung versteht man alle physikalischen oder chemischen Prozesse, die ein natives Protein so verändern, dass es seine biologische Aktivität oder seine spezifischen Eigenschaften verliert, obwohl die Primärstrukur unverändert bleibt.

Durch die Denaturierung werden Wasserstoff-Brückenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen und, in Gegenwart von Reduktionsmitteln, auch Disulfid-Brücken gelöst. Das Resultat ist in den meisten Fällen eine Aggregatbildung der Proteine bis hin zur Ausfällung des Proteins aus der Lösung, da bei den denaturierten Proteinen die normalerweise im Inneren liegenden hydrophoben Aminosäuren in Kontakt mit dem umgebenden (wässrigen) Lösungsmittel kommen und mit den hydrophoben Aminosäuren anderer Proteine in Wechselwirkung treten.

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Abb.1
Proteine entfalten sich und aggregieren

Wenn die Denaturierung auf der Lösung von nicht-kovalenten Bindungen beruht, ist sie gewöhnlich reversibel. Durch die Wechselwirkung mit dem Denaturierungsmittel wird eine neue Konformation stabilisiert, die aber auch wieder in die ursprüngliche, native Konformation des Proteins zurückkehren kann, wenn das Denaturierungsmittel entfernt wird (Renaturierung). Auch Disulfid-Brücken können prinzipiell wieder hergestellt werden.

Definition
Eine irreversible, d.h. nicht umkehrbare Denaturierung tritt auf, wenn unspezifische Oxidationen des Proteins auftreten oder andere kovalente Modifikationen erfolgen. Das Protein nimmt in diesem Zustand eine ungeordnete Knäuelstruktur (random coil) ein und lässt sich nicht mehr renaturieren.

Die Denaturierung eines Proteins führt zu vielseitigen physikalisch-chemischen Veränderungen. Unter anderem kommt es zu einer Verminderung der Hydratation des Proteins, Löslichkeit und Kristallisationsfähigkeit verändern sich und der isoelektrische Punkt verschiebt sich (weil zusätzliche ionisierbare Gruppen auftreten). Daneben tritt verstärkte UV-Absorption auf, da mehr phenolische Gruppen exponiert werden.

Physikalische und chemische Denaturierung von Proteinen kann u.a. erreicht werden durch:

  • physikalische Denaturierung
  • chemische Denaturierung
  • starkes Rühren, Schütteln oder Erhitzen
  • UV-, Röntgen- oder Strahlenabsorption
  • Ultraschall-Behandlung
  • 6-8 M Harnstoff-Lösung (löst H-Brücken)
  • 4 M Lösung von Guanidin
  • extreme pH-Werte (unter 3 oder über 9)
  • Detergenzien
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