Denaturierung

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 13. November 2016
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Bei der Denaturierung verlieren Biomoleküle wie Eiweiße und Nukleinsäuren durch strukturelle Veränderungen ihre biologische Aktivität. Die Primärstruktur der Biomoleküle bleibt jedoch erhalten. Im Körper gibt es sowohl notwendige als auch schädliche Denaturierungsprozesse.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Denaturierung?

Die Denaturierung bezeichnet die Zerstörung der Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Eiweißen und Nukleinsäuren durch physikalische und chemische Einflüsse. Physikalische Einflüsse stellen Hitze, Druck oder energiereiche Strahlung dar. Chemisch werden Denaturierungen durch Säuren, Laugen, Chaotrope, Detergentien, Alkohol oder andere Verbindungen verursacht.

Trotz dieser Strukturänderungen bleibt jedoch die Primärstruktur erhalten. Die Primärstruktur ist durch die Reihenfolge der Aminosäuren in den Proteinen (Eiweißen) oder der Stickstoffbasen in den Nukleinsäuren gekennzeichnet. Die Sekundärstruktur beschreibt die Faltung von Biomolekülen durch den Einfluss von Wasserstoffbrückenbindungen, polaren Wechselwirkungen, ionischen Bindungen und hydrophoben Wechselwirkungen. Außer der Ausbildung von Disulfidbrücken zwischen verschiedenen schwefelhaltigen Aminosäuren werden die sonstigen kovalenten Bindungen nicht verändert.

Im Magen kommt es durch den Einfluss der Magensäure zur Denaturierung der Nahrungseiweiße.

In der Tertiärstruktur bilden sich innerhalb einer Biomolekülkette räumliche Strukturen durch die Faltungen heraus. Die Quartärstruktur ist durch die räumliche Strukturbildung mit mehreren Ketten gekennzeichnet. Dabei entfalten die Proteine und Nukleinsäuren ihre biologische Aktivität erst durch Ausbildung der Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.

Bei einer Denaturierung werden diese Strukturen durch Auflösung der physikalischen Bindungen zwischen den einzelnen Atomgruppen und der chemischen Bindung innerhalb der Disulfidgruppen zerstört. Obwohl die Primärstruktur erhalten bleibt, geht die biologische Aktivität verloren.

Sowohl außerhalb als auch innerhalb des Körpers finden ständig Denaturierungen statt. Ein typisches Beispiel für eine Denaturierung ist das Hartwerden des Eies beim Kochen. Meist sind Denaturierungen irreversibel. Sie können aber auch reversibel sein.

Funktion & Aufgabe

Denaturierungen finden in tierischen und menschlichen Organismen ständig statt. So müssen die Nahrungsproteine für die chemische Aufspaltung in die einzelnen Aminosäuren erst aufbereitet werden. Ohne Aufschluss der sekundär, Tertiär- oder Quartärstrukturen ist das nicht möglich. Die Peptidasen können erst bei einer entfalteten Proteinkette tätig werden.

Im Magen kommt es durch den Einfluss der Magensäure zur Denaturierung der Nahrungseiweiße. Nach der Passage des Magenpförtners wird der aufbereitete Speisebrei durch die Verdauungsenzyme der Bauchspeicheldrüse weiter chemisch aufgeschlossen. Kohlenhydrate, Fette und Proteine werden in die entsprechenden Monomeren aufgespalten. Aus den denaturierten Nahrungsproteinen entstehen unter dem Einfluss von Peptidasen die einzelnen Aminosäuren, welche im Körper zu körpereigenen Proteinen umgewandelt werden.

Das Agens für die Denaturierung im Magen stellt die Magensäure dar, welches größtenteils aus Salzsäure besteht. Allerdings schließt die Magensäure nicht nur Nahrungsproteine auf. Sie zerstört auch viele der mit der Nahrung aufgenommenen Krankheitskeime durch Denaturierung.

Eine wichtige Rolle spielt die Denaturierung von Proteinen und Nukleinsäuren auch bei der Immunabwehr. So werden fremde Eiweißpartikel (Krankheitskeime) und erkrankte oder abgestorbene Körperzellen durch sogenannte Makrophagen aufgenommen und aufgelöst. Ihre Verdauung geschieht in den sogenannten Lysosomen. Lysosomen sind Zellorganellen, die Fremdstoffe und körpereigene Stoffe mithilfe von Enzymen aufschließen. Makrophagen enthalten besonders viele Lysosomen. Im Inneren der Lysosomen herrscht ein niedriger PH-Wert (saures Milieu). Dort werden zunächst die Protein- und Nukleinsäurebestandteile denaturiert und dann durch Verdauungsenzyme aufgeschlossen.

Außerdem kommt es während einer Infektion häufig zu erhöhten Temperaturen. Bei Fieber werden auch empfindliche Krankheitskeime durch Denaturierung aufgrund der Wärmewirkung abgetötet.

Nicht nur in Makrophagen, sondern auch in allen anderen Körperzellen sind Lysosomen enthalten, weil in jeder Zelle unbrauchbare Abfallprodukte und Proteinbestandteile verdaut werden müssen. Die bisher beschriebenen Denaturierungsprozesse sind für den Organismus lebensnotwendig.

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Krankheiten & Beschwerden

Im Zusammenhang mit Denaturierungen, die innerhalb des Körpers stattfinden, gibt es jedoch auch krankhafte Prozesse. So tötet das Fieber bei Infektionen nicht allein Krankheitskeime, denn bei lang anhaltenden hohen Temperaturen können auch körpereigene Proteine zerstört werden. Das betrifft besonders die sehr empfindlichen Enzyme. Wenn die Körpertemperatur längere Zeit 40 Grad übersteigt, werden viele Enzyme unwirksam. Daher wirkt sehr hohes Fieber potenziell tödlich für den Organismus. Wenn die hohe Temperatur innerhalb von sechs Stunden wieder sinkt, sind die Schädigungen jedoch noch reversibel.

Denaturierungen von Proteinen werden auch durch Schwermetalleinflüsse verursacht. Schwermetalle können Komplexe mit Proteinen ausbilden. Dadurch ändern sich ihre Tertiär- und Quartärstrukturen. Auch hier werden wieder besonders die Enzyme in Mitleidenschaft gezogen. Deshalb kommt es bei Schwermetallanreicherungen im Organismus zu schweren chronischen und zuweilen tödlichen Erkrankungen.

Bei Verätzungen mit Säuren oder Laugen handelt es sich auch um Denaturierung von körpereigenen Proteinen in der Haut. Durch Absterben des betroffenen Gewebes werden Entzündungsprozesse initiiert, die zu Juckreiz und schweren Hautreaktionen führen. Des Weiteren führen Verbrennungen zu Denaturierungen von körpereigenen Proteinen der Haut und des Bindegewebes.

Starke Blutungen werden in der Medizin oftmals mit Hochfrequenzstrom behandelt. Dabei wird die Gewebetemperatur kurzzeitig bis auf 80 Grad erwärmt. In der Folge gerinnen Gewebeeiweiß und Bindegewebsfasern. So kann die Wunde effektiv verschlossen werden.

Viele Alterserkrankungen gehen auch mit Veränderungen der Sekundär- und Tertiärstruktur von Eiweißen einher. Obwohl in diesen Fällen keine vollständige Denaturierung erfolgt, kommt es jedoch unter anderem zu Umfaltungen und zur Entstehung von Plaques. Ein bekanntes Beispiel sind die senilen Plaques bei Alzheimerpatienten. Die senilen Plaques sind Eiweißablagerungen im Gehirn, die sich durch Umfaltungen in der Tertiärstruktur bilden. Allerdings sind die Ursachen für diesen Prozess noch nicht bekannt. Diskutiert wird unter anderem auch ein Einfluss von Aluminium auf die Strukturänderungen des Tauproteins.

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