Proteindenaturierung: Ursachen und Folgen

Die Denaturierung von Proteinen besteht aus dem Verlust der dreidimensionalen Struktur durch verschiedene Umwelteinflüsse wie Temperatur, pH-Wert oder bestimmte chemische Substanzen. Der Verlust der Struktur führt zum Verlust der mit diesem Protein verbundenen biologischen Funktion, ob enzymatisch, strukturell oder unter anderem als Transporter.

Die Struktur des Proteins reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen. Die Destabilisierung einer einzelnen Brücke mit essentiellem Wasserstoff kann das Protein denaturieren. Ebenso gibt es Wechselwirkungen, die für die Einhaltung der Proteinfunktion nicht unbedingt erforderlich sind, und die im Falle einer Destabilisierung keinen Einfluss auf die Funktionsweise haben.

Struktur von Proteinen

Um die Prozesse der Proteindenaturierung zu verstehen, müssen wir wissen, wie Proteine ​​organisiert sind. Diese präsentieren Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.

Primärstruktur

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

Sekundäre Struktur

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

Tertiärstruktur

Bezieht andere Arten von Kräften ein, die zu einer spezifischen Faltung der dreidimensionalen Form führen.

Die R-Ketten der Aminosäurereste, die die Struktur des Proteins bilden, können Disulfidbrücken bilden, und die hydrophoben Teile der Proteine ​​sind im Inneren gruppiert, während die hydrophilen Teile dem Wasser zugewandt sind. Die Van-der-Waals-Kräfte wirken als Stabilisator der beschriebenen Wechselwirkungen.

Quartärstruktur

Es besteht aus Aggregaten von Proteineinheiten.

Wenn ein Protein denaturiert wird, verliert es die quaternäre, tertiäre und sekundäre Struktur, während die primäre intakt bleibt. An Disulfidbrücken reiche Proteine ​​(Tertiärstruktur) bieten eine höhere Denaturierungsbeständigkeit.

Faktoren, die eine Denaturierung verursachen

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

pH

Bei sehr extremen pH-Werten, entweder in sauren oder basischen Medien, kann das Protein seine dreidimensionale Konfiguration verlieren. Der Überschuss an H + und OH- Ionen im Medium destabilisiert die Wechselwirkungen des Proteins.

Diese Änderung des Ionenmusters erzeugt eine Denaturierung. Die Denaturierung durch pH kann in einigen Fällen reversibel und in anderen irreversibel sein.

Temperatur

Eine thermische Denaturierung tritt auf, wenn die Temperatur ansteigt. In Organismen, die unter durchschnittlichen Umweltbedingungen leben, beginnen sich Proteine ​​bei Temperaturen über 40 ° C zu destabilisieren. Offensichtlich können die Proteine ​​thermophiler Organismen diesen Temperaturbereichen widerstehen.

Temperaturerhöhungen führen zu erhöhten Molekülbewegungen, die Wasserstoffbrückenbindungen und andere nichtkovalente Bindungen beeinflussen und zum Verlust der Tertiärstruktur führen.

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

Chemische Substanzen

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

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

Reduktionsmittel

Β-Mercaptoethanol (HOCH2CH2SH) ist ein chemischer Wirkstoff, der im Labor häufig zur Denaturierung von Proteinen eingesetzt wird. Es ist verantwortlich für die Reduktion der Disulfidbrücken zwischen den Aminosäureresten. Es kann die tertiäre oder quaternäre Struktur 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 ​​arbeiten im nativen Zustand optimal.

Der Funktionsverlust ist nicht immer mit einem Denaturierungsprozess verbunden. Eine geringfügige Änderung der Proteinstruktur kann zum Funktionsverlust führen, 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 Renaturierungsexperimente wurde in Ribonuklease A nachgewiesen.

Wenn die Forscher Denaturierungsmittel wie Harnstoff oder β-Mercaptoethanol hinzufügten, wurde das Protein denaturiert. Wenn diese Mittel entfernt werden, kehrt das Protein in seine ursprüngliche Konformation zurück und kann seine Funktion mit einer Effizienz von 100% ausführen.

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 vollständig 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 bekommt ein festes, weißliches Aussehen. 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.

Chaperon-Proteine

Chaperon- oder Chaperonin-Proteine ​​sind dafür verantwortlich, die Denaturierung anderer Proteine ​​zu verhindern. Sie unterdrücken auch bestimmte Wechselwirkungen, die zwischen den Proteinen nicht ausreichen, 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 HSP (Heat Shock Proteins ) bezeichnet.

Chaperonine sind analog zu Käfigen oder Fässern, die das Protein von Interesse im Inneren schützen.

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