Denaturierung (Biochemie)
Die Denaturierung beschreibt eine strukturelle Veränderung von Biomolekülen. Aber was ist das Prinzip bei der Denaturierung von Proteinen und der DNA? Das erfährst du in diesem Beitrag. Um das Thema noch schneller zu verstehen, kannst du dir gerne unser kurzes Video dazu anschauen!
Inhaltsübersicht
Denaturierung einfach erklärt
Bei der Denaturierung verändert sich die Struktur von Biomolekülen (z.B. Proteine, DNA). Das bedeutet, dass Bindungen in Biomolekülen aufgespalten werden. Meistens können die Moleküle durch die Denaturierung ihrer Funktion nicht mehr nachgehen.
Allerdings werden bei der Denaturierung keine kovalenten (festen) Bindungen gespalten. Dadurch kann eine Denaturierung auch reversibel (umkehrbar) sein. Wenn die strukturellen Veränderungen durch die Denaturierung aber sehr tiefgreifend waren, kann sie auch irreversibel (nicht umkehrbar) sein.
Eine Denaturierung kann auf unterschiedliche Arten ausgelöst werden, die häufigste Art ist aber die Denaturierung durch Hitze.
Ein Beispiel hierfür ist die Denaturierung von Eiweiß in einem Hühnerei: Beim Kochen wird das Eiweiß fest, weil sich die Proteine strukturell verändern. Der ursprünglich flüssige Zustand kann nicht mehr hergestellt werden.
Die Denaturierung (engl. denaturation) bezeichnet eine strukturelle Veränderung von Biomolekülen wie zum Beispiel Proteinen (protein denaturation) und der DNA. Eine Denaturierung kannst du auf physikalische oder chemische Einflüsse zurückführen.
Was ist Denaturierung?
Fassen wir nochmal zusammen: bei der Denaturierung werden Strukturen in Molekülen aufgebrochen. Oft sind davon Proteine (dazu gehören auch die meisten Enzyme) oder die DNA betroffen. Außerdem können für eine Denaturierung unterschiedliche Einflüsse verantwortlich sein. Du unterscheidest dabei zwischen physikalischen und chemischen Einflüssen.
Einige physikalische Einflüsse sind:
- die Hitzedenaturierung: Denaturierung durch Erhöhung der Temperatur.
- die Denaturierung durch Druck: Denaturierung durch Erhöhung des Drucks.
- die Denaturierung durch Strahlung: langwellige Strahlung (z.B. Mikrowellenstrahlung, Infrarotstrahlung) führt zur Erhöhung der Temperatur und damit zur Denaturierung.
Einige chemische Substanzen, die zur Denaturierung (vor allem von Proteinen) führen, sind:
- Säuren und Basen: Denaturierung durch Ladungsverschiebungen zwischen Molekülen.
- Schwermetalle: Ionen der Schwermetalle bilden komplexe Moleküle mit den Aminosäuren der Proteine aus.
Hitzedenaturierung
Bei der Hitzedenaturierung werden Bindungen in einem Molekül durch Erhöhung der Temperatur aufgebrochen. Wir sind dabei in einem Bereich von ca. 80°C. Die Temperaturen sind aber von der Art und dem Aufbau des jeweiligen Biomoleküls abhängig.
Wie bei allen Denaturierungsvorgängen, werden auch bei der Hitzedenaturierung keine kovalenten (festen) Bindungen gespalten. Meistens werden Wasserstoffbrückenbindungen gespalten. Dadurch verändert sich die Struktur des Moleküls. Aus diesem Grund können die Moleküle nach einer Hitzedenaturierung oft nicht mehr ihrer Funktion nachgehen.
In den meisten Fällen ist die Hitzedenaturierung irreversibel (nicht umkehrbar). Das liegt daran, dass die Molekülstruktur durch die erhöhte Temperatur zu stark verändert wurde. Das ist zum Beispiel bei deinem Frühstücksei der Fall. Wenn das Eiweiß einmal fest geworden ist, kann es nicht mehr flüssig werden.
Die Hitzedenaturierung kann aber auch (wie alle anderen Denaturierungsvorgänge) in manchen Fällen reversibel (umkehrbar) sein. Den Gegenprozess zur Denaturierung nennst du Renaturierung. Bei der Renaturierung wird also die ursprüngliche Struktur des Moleküls wieder gebildet. Die Moleküle können dann ihrer Funktion auch wieder nachgehen. Eine reversible Hitzedenaturierung kann zum Beispiel bei Proteinen oder der DNA vorkommen.
Denaturierung Proteine
Die Denaturierung von Proteinen kann also durch Hitze stattfinden. Da die meisten Enzyme auch Proteine sind, gilt das auch für die Denaturierung von Enzymen. Bei der Denaturierung werden keine kovalenten (festen) Bindungen gespalten. Deshalb bleibt die Primärstruktur eines Proteins dabei unverändert. Ein Protein besteht aus Aminosäuren. Unter der Primärstruktur kannst du deshalb eine bestimmte Reihenfolge der Aminosäuren verstehen.
Das Protein kommt in unserem Körper aber nicht einfach als Aminosäure-Strang vor, sondern ist auf eine bestimmte Weise gefaltet. Das liegt daran, dass die korrekte Faltung meist den energetisch günstigsten Zustand darstellt. Das bedeutet, dass das Protein in der gefalteten Form am stabilsten ist. Proteine sind nur biologisch aktiv (also funktionieren nur), wenn sie korrekt gefaltet sind. Bei der Denaturierung von Proteinen wird die ursprüngliche Faltungsform zerstört. Deshalb funktionieren die Proteine dann nicht mehr.
Aus diesem Grund kann es für dich gefährlich werden, wenn du über 40°C Fieber hast. Denn auch bei zu hohem Fieber denaturieren viele Enzyme und Proteine in deinem Körper. Wenn Enzyme und Proteine nicht mehr funktionieren, können viele Prozesse nicht mehr richtig ablaufen. Aber keine Sorge: die Proteine und Enzyme können wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, solange das hohe Fieber nicht länger als sechs Stunden anhält.
Bei vielen Proteinen ist die Denaturierung reversibel (umkehrbar). Das liegt daran, dass das Protein in der gefalteten Form am stabilsten ist. Die korrekte Faltung kann also in der Renaturierung wieder hergestellt werden. Wenn aber zu viel von der Proteinstruktur zerstört wurde, ist die Proteindenaturierung irreversibel (nicht mehr umkehrbar).
DNA Denaturierung
Auch die DNA kann durch Hitze denaturiert werden. Dabei spalten sich die Einzelstränge der DNA auf. Normalerweise bilden die Einzelstränge der DNA durch Basenpaarung einen stabilen Doppelstrang. Zusammengehalten werden die Basenpaare der DNA durch Wasserstoffbrückenbindungen. Bei der Denaturierung der DNA werden die Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen. Das passiert in deinem Körper zum Beispiel, damit eine Replikation (Verdopplung) der DNA stattfinden kann.
Um die DNA zu denaturieren benötigst du Temperaturen zwischen 60°C und 100°C. Das hängt stark davon ab, in welcher Menge die jeweiligen Basen in der DNA vorkommen. Die DNA Denaturierung kann durch Abkühlung der Temperatur wieder rückgängig gemacht werden. Wird die DNA durch Hitze denaturiert, ist die Denaturierung also reversibel. Die Wasserstoffbrückenbindungen können durch Renaturierung wieder ausgebildet werden. Schau dir jetzt unser Video zur DNA an, um zu erfahren wie sie aufgebaut ist und wie sie in unseren Zellen vorkommt!
