Protein-Denaturierung

Protein-Denaturierung

Verlust der 3D-Struktur führt unweigerlich zum Verlust der Funktion. Wenn zwei Proteine nach der Denaturierung mit lipophilen Aminosäuren aussen zusammenkommen, können sie verkleben. Verklebung (Klumpen, Verklumpung); es entsteht eine neue Einheit. Viele Krankheiten hängen damit zusammen (Alzheimer, Parkinson, BSE).

Faktoren, die Denaturierung bewirken

Temperatur

Aufgrund der zunehmenden Teilchenbewegung reichen die Kräfte irgendwann nicht mehr aus, um die Struktur beizubehalten. Beispiel: Hat ein Säugling hohes Fieber, so sollte man ihn kühlen. Bei hohen Temperaturen nimmt die Fe-Versorgung ab, was zueiner kleineren Fe-Konzentration führt. Der Körper hat Vorräte, doch die Bakterien werden so ausgehungert. Der Körper hält mehr aus, Bakterien profitieren mehr von höherer Temperatur, da sie schneller wachsen, die Eisenzufuhr jedoch wird aber mit Fieber eingedämmt. Am besten man lässt dem Körper Zeit. Ab einer bestimmten Temperatur aber werden die Proteine im Körper denaturiert! Dies führt oft bei viralen Infekten zum Tode.

Änderung des pH-Wertes (z.B. durch Säuren) und daraus resultierende Veränderung der Eigenschaften von Wasser

Hintergrund zu pH-Wert: Es gibt AS, die durch Basen ihre Eigenschaft ändern (von lipophil zu hydrophil, oder umgekehrt). Wenn das passiert, kehren sich zum Teil Teile von innen nach aussen oder umgekehrt. Wiederum ist eine Verklumpung zu beobachten. Bsp.: Pepsin (Verdauungsenzym), das Proteine zerschneidet. Die Form des Proteins ist bei neutralem pH-Wert nicht im Einsatz, erst wenn es in saure Umgebung kommt, wird es aktiviert (wie Sicherung einer Pistole). Wenn der pH-Wert stimmt, beginnen bestimmte Proteine erst zu wirken und nehmen ihre aktive Form an. Milch denaturiert (Flocken), indem sie sauer wird. Säure kann Proteine denaturieren, nachher sind sie verklebt. Wenn Alkohol zur Milch gegeben wird, werden die H-Brücken zwischen Protein und Wasser zu stark gelockert, wiederum findet eine Verklumpung statt. Alkohol (und andere Lösungsmittel) führt dazu, dass weniger H-Brücken eingegangen werden (H-Brücken ausserhalb werden abgeschwächt (lipophiler Fleck kann beispielsweise mit Alkohol gereinigt werden).

Krankheiten durch Protein-Denaturierung: BSE

Abb. 9 Zelluläres und infektiöses Prion

Zelluläre Prionen und infektiöse Prionen

Prionen sind Proteine, die auf der Aussenseite der Nervenzellen des Gehirns sitzen. Wenn sie durch infektiöse Prionen in schädliche Prionen (PRP^sc) umgewandelt werden, können sie Krankheiten auslösen.

PRP^sc: Protease resistant protein, sc: scrapie (scrapie-Form)

PRP^c: Protease resistant protein, c: cellular (zelluläre Form)

Die Primärstruktur von beiden Prionen ist gleich, doch ihre 3D-Struktur ist verschieden (siehe Abb. 9).

Von Scrapie zu BSE

Scrapie ist eine Krankheit von Schafen, bei welcher diese beginnen, sich blutig zu kratzen und zu torkeln. Ausserdem weisen sie eigenartige Verhaltensweisen auf und sterben schliesslich. Scrapie gibt es schon sehr lange und ist keine Gefahr für uns. Tote Tiere werden aber anschliessend vermahlen und anderen verabreicht (z.B. Kühen als Kraftfutter). Man gibt Rindern also mehlartiges Zusatzfutter tierischen Ursprungs; auch tote Schafe, die an „scrapie“ gestorben sind. Beim Essen von Schafen mit Scrapie geschieht nichts (höhere Säugetiere haben Prionen, die unterschiedlich sind, einige AS anders). Prionen der Rinder sind unseren jedoch ähnlicher. Die infektiösen Proteine können nicht wie andere in unserem Magen durch Prothease bis auf die Aminosäuren zerschnitten werden; diese Eigenschaft macht sie gefährlich. Sie sind resistent gegen Hitze von über 100° C und Säure; dies aufgrund ihrer äusserst stabilen Struktur. Nun übertrug sich das infektiöse Prion von Schafen auf Rinder. Die Krankheit, welche durch PRPsc bei Rindern ausgelöst wird, nennen wir BSE (Bovine Sponpngorme Enzephalopathie). BSE verursacht Nervensystem- und Gehirnschäden. Krankheiten können allgemein drei Ursachenhaben, nämlich Bakterien, Viren oder Stoffwechsel. Es wurden aber bei BSE-Befallenen keine Bakterien oder Viren gefunden. Esmuss aber einen Organismus geben, der sich reproduziert und dem Körper Schaden zufügt. Vermutung: Proteine (angefeindete Hypothese, früher als ketzerisch angeschaut). Die Suche hat tatsächlich eine vierte Ursache, nämlich ein Protein, ergeben - PRPsc.

Aufnahme und Vervielfältigung

Da das PRPsc sehr stabile Strukturen aufweist, ist es "prothease resistant", wird also von den Protheasen im Magen nicht in die AS zerlegt. Somit überbesteht es den Verdauungstrakt unbeschadet. Proteine sind grosse Teilchen; damit ein Stoff wirklich aufgenommen wird, muss es auch durch die Membrane ins Blut. Trick: Das infektiöse Prion ist einem Protein ähnlich, das aktiv aufgenommen wird.

Dass die Reise bis ins Gehirn führt, ist sehr unwahrscheinlich, da das grosse Teilchen, das Prion, durch Sicherheitsschranken gelangen muss, so z.B. die Blut-Gehirn-Schranke (bewahrt vor Schadstoffen aus dem Blut), welche toxikologische Relevanz besitzt. Der Weg durch den Körper sieht folgendermassen aus: (1) Verdauungstrakt (2) Resorption (vom Verdauungstrakt ins Blut) und (3)Wanderung ins Gehirn.

Wenn das grosse Protein diese Schranke überwindet, kann es zu einer Vermehrung kommen: Das falsche infektiöse Prion vom Rind kommt in Kontakt mit dem richtigen Prion des Menschen. Dabei wird das richtige ebenfalls falsch (die Kräfte werden durch denKontakt so, dass das richtige in die falsche 3D-Form fällt). Schema: richtig – falsch → falsch – falsch. Ein Prion, das „falsch wurde“, ist aber noch nicht weiter schlimm. Die Ansteckung/Vermehrung besteht darin, dass viele „richtige“ Proteine in „falsche“umgeformt werden.

PRP^c (Mensch) → Kontakt mit PRP^sc (Mensch) → wird auch zu PRP^sc

Der Vermehrungsvorgang beschleunigt sich selbst und wird als Katalyse bezeichnet. Die kranken Prionen wirken dabei wie ein Katalysator. "Der Körper löscht sich sozusagen selbst aus."

Abb. 10 Vermehrung der kranken Form: Eine 'Lawine' wird losgetreten

Es kommt zu einer Verklebung von Proteinen bei der Denaturierung. Dies führt zu Ablagerungen im Gehirn. Andere Zellen werden am Wachsen gehindert. Sie sterben ab, weil der Abfall nicht entsorgt wird, es findet keine Versorgung statt. Transportvorgänge der Zellen gestört! „Löcher“ entstehen im Gehirn (schwammartig, "spongiform"). Das Verhalten wird verändert, Erinnerungen gehen verloren, etc. Ein Paradebeispiel dafür, dass eine kleine Änderung der Form massive Auswirkungen haben kann!

Bei Alzheimer werden ebenfalls Proteine verformt, genauso bei Multipler Sklerose. Es kommt auch dort zu Ablagerungen. Veränderte Form führt zur Denaturierung, welche wiederum zu Ablagerungen führt. Dies ist bei vielen Krankheiten so. Viren und Bakterien sind leicht zu bekämpfen, doch körpereigene Stoffe nur sehr mühsam.

Quellen

Video

• Video zur Strukur des DNS

Medienspezifisch:

• Abb. Moleküle im Eiskristall: http://www.hamm-chemie.de/images/k9/abb/wbb_eis.gif
• Abb. Gefrorener Teich: http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Wasserhaushalt/dateien/3_transp/3_wasser/bilder/5_dstart.jpg
• Abb. Ionengitter löst sich im Wasser: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/13/pc/praktikum1/loesungswaerme/images/abb1.gif
• Abb. Doppelhelix-Struktur in 3D: http://de.academic.ru/pictures/dewiki/65/ADN_animation.gif
• Abb. Die roten Linien zeigen die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/bilder/!dna0000.gif
• Abb. 1: Erstellt von Merlin Schär
• Abb. 2: http://www.chem.wisc.edu/~newtrad/CurrRef/AIDStopic/AIDSfig/2_06b.gif
• Abb. 3: http://cropandsoil.oregonstate.edu/classes/css430/lecture%209-07/figure-09-03.JPG
• Abb. 4: Molecular Biology of the Cell by Garland Science, vereinfacht und übersetzt von Merlin Schär und Giuseppe Spinella
• Abb. 5: Molecular Biology of the Cell by Garland Science
• Abb. 6: http://www.filzlexikon.de/fillex/wolle/chemie/gif/brueckbind.gif, verändert und vereinfacht
• Abb. 7: http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/protein/Hb-scan.jpg
• Abb. 8: Erstellt von Merlin Schär und Giuseppe Spinella
• Abb. 9: Elektronische Unterlagen zu Proteinen von Hr. Deuber, verändert von Merlin Schär
• Abb. 10: http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/proteine_enzyme/7prionen/prion4.gif

Allgemeine Informationen:

• Überwiegend Chemieunterlagen (c. Proteine; 28.6.06 bis 11.9.2006 Abteilung 05D)
• Chemieunterlagen (DNS; 19.08.2008 Abteilung 07H)

Als zusätzliche Stütze haben uns gedient:

• Microsoft Encarta Enzyklopädie Professional 2005
• http://www.tgs-chemie.de/proteine.htm [1]
• http://www.chemgapedia.de/vsengine/topics/de/vlu/index.html[2]
• http://www.bioc.unizh.ch/nanowelt/[3]
• http://www.swisseduc.ch/chemie/[4]
• http://www.vetmed.uni-giessen.de/biochem/Folien/Folie3-4.png[5]
• http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/biog105/pages/demos/105/unit1/media/folding-protein.jpg [6]
• http://n.ethz.ch/student/meierdan/download/Bio1B/Voet/proteinfunktion.doc[7]
• http://flexikon.doccheck.com/Peptidbindung[8]

Erstellt von Merlin Schär und Giuseppe Spinella im Juni 2007, revidiert im Sommer 2008.

Für eine optimale Darstellung des Artikels empfehlen wir Firefox 3.

Weblinks

• Swisseduc – Unterrichtsserver für Chemie
• Molecular Modelling, Einführung in die Biochemie [9]
• Für die Klasse 05D die nützlichen Animationen auf dem BSCW [10]
• Seite des Biochemischen Institutes Zürich, mit 3D-Modellen von Proteinen und Informationen zu 3D-Modellierungs-Programmen [11]
• Chime PlugIn-Download für ältere Web-Animationen (Internet Explorer) [12]