PROTEINDENATURIERUNG: FAKTOREN UND KONSEQUENZEN - BIOLOGIE - 2025

Die Denaturierung von Proteinen besteht aus dem Verlust der dreidimensionalen Struktur aufgrund verschiedener Umweltfaktoren wie Temperatur, pH-Wert oder bestimmter chemischer Mittel. Der Verlust der Struktur führt zum Verlust der biologischen Funktion, die mit diesem Protein verbunden ist, sei es enzymatisch, strukturell, unter anderem als Transporter.

Die Struktur des Proteins ist sehr empfindlich gegenüber Veränderungen. Die Destabilisierung einer einzelnen essentiellen Wasserstoffbindung kann das Protein denaturieren. Ebenso gibt es Wechselwirkungen, die für die Erfüllung der Proteinfunktion nicht unbedingt erforderlich sind und bei Destabilisierung keinen Einfluss auf die Funktion haben.

Struktur von Proteinen

Um die Prozesse der Denaturierung von Proteinen zu verstehen, müssen wir wissen, wie Proteine ​​organisiert sind. Diese weisen eine primäre, sekundäre, tertiäre und quaternäre Struktur auf.

Primärstruktur

Es ist die Sequenz von Aminosäuren, aus denen das Protein besteht. Aminosäuren sind die Grundbausteine ​​dieser Biomoleküle und es gibt 20 verschiedene Typen mit jeweils bestimmten physikalischen und chemischen Eigenschaften. Sie sind über eine Peptidbindung miteinander verbunden.

Sekundärstruktur

In dieser Struktur beginnt sich diese lineare Kette von Aminosäuren durch Wasserstoffbrücken zu falten. Es gibt zwei grundlegende Sekundärstrukturen: die spiralförmige α-Helix; und das gefaltete Blatt β, wenn zwei lineare Ketten parallel ausgerichtet sind.

Tertiärstruktur

Es handelt sich um andere Arten von Kräften, die zu bestimmten Falten der dreidimensionalen Form führen.

Die R-Ketten der Aminosäurereste, aus denen die Proteinstruktur besteht, können Disulfidbrücken bilden, und die hydrophoben Teile der Proteine ​​klumpen innen zusammen, während die hydrophilen Teile dem Wasser zugewandt sind. Die Van-der-Waals-Kräfte wirken als Stabilisatoren für die beschriebenen Wechselwirkungen.

Quartärstruktur

Es besteht aus Aggregaten von Proteineinheiten.

Wenn ein Protein denaturiert wird, verliert es seine quaternäre, tertiäre und sekundäre Struktur, während das primäre intakt bleibt. Proteine, die reich an Disulfidbindungen sind (Tertiärstruktur), bieten eine größere Beständigkeit gegen Denaturierung.

Denaturierungsfaktoren

Jeder Faktor, der die nichtkovalenten Bindungen destabilisiert, die für die Aufrechterhaltung der nativen Struktur des Proteins verantwortlich sind, kann dessen Denaturierung verursachen. Unter den wichtigsten können wir erwähnen:

pH

Bei sehr extremen pH-Werten, ob sauer oder basisch, kann das Protein seine dreidimensionale Konfiguration verlieren. Der Überschuss an H ^{+ -} und OH ^- -Ionen im Medium destabilisiert die Proteinwechselwirkungen.

Diese Änderung des Ionenmusters verursacht eine Denaturierung. Die Denaturierung durch den pH-Wert kann in einigen Fällen reversibel und in anderen irreversibel sein.

Temperatur

Die thermische Denaturierung erfolgt mit zunehmender Temperatur. In Organismen, die unter durchschnittlichen Umweltbedingungen leben, beginnen sich Proteine ​​bei Temperaturen über 40 ° C zu destabilisieren. Es ist klar, dass die Proteine ​​thermophiler Organismen diesen Temperaturbereichen standhalten können.

Temperaturerhöhungen führen zu erhöhten molekularen Bewegungen, die Wasserstoffbrückenbindungen und andere nichtkovalente Bindungen beeinflussen, was zum Verlust der Tertiärstruktur führt.

Diese Temperaturerhöhungen führen zu einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit, wenn es sich um Enzyme handelt.

Chemikalien

Polare Substanzen wie Harnstoff beeinflussen in hohen Konzentrationen Wasserstoffbrücken. Auch unpolare Substanzen können ähnliche Folgen haben.

Waschmittel können auch die Proteinstruktur destabilisieren; Es ist jedoch kein aggressiver Prozess und sie sind meist reversibel.

Reduktionsmittel

Β-Mercaptoethanol (HOCH2CH2SH) ist ein chemisches Mittel, das im Labor häufig zur Denaturierung von Proteinen verwendet wird. Es ist verantwortlich für die Reduzierung von Disulfidbrücken zwischen Aminosäureresten. Es kann die Tertiär- oder Quartärstruktur des Proteins destabilisieren.

Ein weiteres Reduktionsmittel mit ähnlichen Funktionen ist Dithiothreit (DTT). Weitere Faktoren, die zum Verlust der nativen Struktur in Proteinen beitragen, sind Schwermetalle in hohen Konzentrationen und ultraviolette Strahlung.

Folgen

Bei Denaturierung verliert das Protein seine Funktion. Proteine ​​funktionieren im nativen Zustand optimal.

Funktionsverlust ist nicht immer mit einem Denaturierungsprozess verbunden. Es kann sein, dass eine kleine Änderung der Proteinstruktur zu einem Funktionsverlust führt, ohne die gesamte dreidimensionale Struktur zu destabilisieren.

Der Prozess kann irreversibel sein oder nicht. Wenn sich die Bedingungen im Labor umkehren, kann das Protein zu seiner ursprünglichen Konfiguration zurückkehren.

Renaturierung

Eines der bekanntesten und schlüssigsten Experimente zur Renaturierung wurde in Ribonuklease A nachgewiesen.

Als die Forscher Denaturierungsmittel wie Harnstoff oder β-Mercaptoethanol hinzufügten, wurde das Protein denaturiert. Wenn diese Mittel entfernt würden, würde das Protein zu seiner nativen Konformation zurückkehren und könnte seine Funktion mit 100% Effizienz erfüllen.

Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Forschung war der experimentelle Nachweis, dass die dreidimensionale Konformation des Proteins durch seine Primärstruktur gegeben ist.

In einigen Fällen ist der Denaturierungsprozess völlig irreversibel. Wenn wir zum Beispiel ein Ei kochen, wenden wir Wärme auf die Proteine ​​an (das wichtigste ist Albumin), aus denen es besteht. Das Weiß nimmt ein festes und weißliches Aussehen an. Intuitiv können wir daraus schließen, dass es, selbst wenn wir es abkühlen, nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehren wird.

In den meisten Fällen geht der Denaturierungsprozess mit einem Löslichkeitsverlust einher. Es verringert auch die Viskosität, die Diffusionsgeschwindigkeit und kristallisiert leichter.

Chaperonproteine

Die Chaperone oder Chaperonine-Proteine ​​sind dafür verantwortlich, die Denaturierung anderer Proteine ​​zu verhindern. Sie unterdrücken auch bestimmte Wechselwirkungen, die zwischen Proteinen nicht geeignet sind, um eine korrekte Faltung derselben sicherzustellen.

Wenn die Temperatur des Mediums ansteigt, erhöhen diese Proteine ​​ihre Konzentration und verhindern die Denaturierung anderer Proteine. Aus diesem Grund werden sie auch als "Hitzeschockproteine" oder HSPs (Heat Shock Proteins) bezeichnet.

Chaperonine sind analog zu einem Käfig oder einem Fass, das das interessierende Protein im Inneren schützt.

Diese Proteine, die auf zelluläre Stresssituationen reagieren, wurden in verschiedenen Gruppen lebender Organismen beschrieben und sind hoch konserviert. Es gibt verschiedene Klassen von Chaperoninen, die nach ihrem Molekulargewicht klassifiziert werden.

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