Denaturierung (Biochemie)

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Denaturierung bezeichnet eine strukturelle Veränderung von Biomolekülen wie zum Beispiel Proteinen (Eiweiße) oder der Desoxyribonukleinsäure (DNS).

Die durch äußere Einflüsse hervorgerufene Veränderung der Proteinstruktur, insbesondere der Sekundär- und Tertiärstruktur eines Proteins (und damit eventuell auch seiner Quartärstruktur) erfolgt, ohne dass sich die Reihenfolge der Aminosäuren (Primärstruktur) ändert. Der Vorgang kann irreversibel sein, d.h. der ursprüngliche räumliche Aufbau kann nicht wiederhergestellt werden. Es gibt auch reversible Veränderungen, die durch die Neutralisation der Situation wieder rückgängig zu machen sind (z.B. bei RNA). 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.

Ursachen der Eiweißdenaturierung können z.B. chemische Substanzen wie Säuren, Salze, Basen, Detergenzien oder extreme Temperaturen, sowie UV-Strahlung sein. Das bekannteste Beispiel ist das Eiweiß im Hühnerei: Dieses wird beim Kochen fest, weil sich der räumliche Aufbau der Proteinmoleküle geändert hat. Der ursprüngliche, flüssige Zustand kann nicht mehr hergestellt werden.

Zur Denaturierung kommt es auch bei der Koagulation mit Hochfrequenzstrom in der Medizin. Durch ein Erhöhen der Gewebetemperatur auf 50 bis 80 °C kommt es zu einer Gerinnung der Gewebeproteine und der Bindegewebsfasern. Dieses Verfahren wird in der Regel zur Blutstillung mit bipolaren oder monopolaren Greifern oder mit Platten-, Kugel- oder Walzenelektroden angewendet.

Auch beim Fieber denaturieren die Proteine eines Organismus. Solange das Fieber nicht allzu lange anhält, ist dieser Vorgang reversibel, nach etwa sechs Stunden kann es allerdings Probleme bei der Wiederherstellung der nativen Struktur geben. Die Proteine eines Organismus erreichen ihr Aktivitätsmaximum nämlich meist bei einer Temperatur von 35 bis 39 °C. Zu hohes Fieber (40 bis 42 °C) kann die Enzyme deswegen derart beeinflussen, dass die Versorgung des Körpers nicht mehr in geeignetem Maße möglich ist. Bestimmte Moleküle wie Chaperone und Hitzeschockproteine helfen beim Erhalt und der Wiederherstellung der Struktur.

Proteinstrukturen können auch durch Schwermetalle zerstört werden, da die Ionen Komplexstrukturen mit den Aminosäureresten bilden und so die signifikante Struktur des Proteins verändern. Darum ist die Schwermetallanreicherung im Körper ein großes Problem.

Hitzedenaturierung

Die Hitzedenaturierung ist eine Art der Denaturierung, bei der durch hohe Temperatur die Veränderung der Struktur herbeigeführt wird. Nucleinsäuren denaturieren innerhalb eines recht engen Temperaturintervalls (daher auch „Schmelzpunkt“ genannt), der meist oberhalb von 80 °C liegt. Die Temperatur, bei der die Denaturierung der Proteine beginnt, ist je nach Aufbau und Organismus recht unterschiedlich. Die Enzyme hyper-thermophiler Archaeen müssen Temperaturen weit über 80 °C aushalten.

Allen Denaturierungsvorgängen ist gemeinsam, dass bei den dafür eingesetzten Bedingungen kovalente Bindungen nicht gespalten werden (außer den Disulfid-Brücken). Die Kettenstruktur und Abfolge der Bausteine (Primärstruktur ) bleibt also erhalten. Von der Denaturierung der Proteine zu unterscheiden ist die Proteinspaltung, bei der die Makromoleküle in ihre Bausteine aufgespalten werden.

Durch Energiezufuhr werden aber die einzelnen Bausteine, d.h. Nukleotide und Aminosäuren, dadurch dann auch die ganze Molekülkette, so sehr ins Schwingen gebracht, dass Bindungen und wirkende Kräfte (Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Effekte, Disulfidbrücken) zwischen verschiedenen Bereichen der Molekülkette aufgelöst bzw. überwunden werden.

Da sich in der Folge ungesteuert neue/andere Bindungen zwischen den Kettenabschnitten oder auch zu benachbarten Molekülen ausbilden, resultiert aus der Denaturierung eine Veränderung der (Sekundärstruktur und) Tertiärstruktur, bei Enzymen und anderen funktionellen Proteinen deshalb auch ein Verlust der biologischen Aktivität, sowie eine Abnahme der Löslichkeit. Letzteres macht sich oft als „Ausflocken“ oder „Gerinnung“ bemerkbar.

Eine Hitzedenaturierung kann (wie andere Denaturierungen) reversibel (umkehrbar)sein, wenn die strukturellen Veränderungen noch nicht zu tiefgreifend sind, ist aber häufig irreversibel (unumkehrbar).

Säuredenaturierung

Die Säuredenaturierung führt zu Ladungsverschiebungen zwischen den Molekülen und letztenendes zum selben Ergebnis wie die Hitzedenaturierung. Die Säure gibt Protonen (H⁺) ab und verursacht damit die Ladungsänderung in der Aminogruppe (NH₂), die dann positiv geladen wird.