Was ist Denaturierung und welche Auswirkungen hat sie auf uns?

Warum ist Denaturierung einer der wichtigsten Prozesse der Biochemie?

Bei der Denaturierung werden, ganz allgemein gesagt, Moleküle einer strukturellen Veränderung unterworfen, sodass sie in der Regel dadurch ihre Funktionsfähigkeit verlieren und nicht wiedergewinnen können. Physikalische oder chemische Einflüsse setzen eine Denaturierung in Gang und bewirken eine häufig unumkehrbare Reaktion. Wenn wir von Denaturierung sprechen, handelt es sich meist um Strukturveränderungen in Proteinen oder in der DNA. Für uns kann eine Denaturierung sowohl nützliche als auch schädliche Ergebnisse hervorbringen. Sie spielt vor allem im Bereich Ernährung und Gesundheit eine grosse Rolle.

Welche äusseren Einflüsse können eine Denaturierung auslösen?

Eine Denaturierung beginnt nicht zufällig. Es sind entweder chemische oder physikalische Faktoren nötig, um sie in Gang setzen. Diese Einflüsse werden entweder absichtlich eingesetzt, um einen gewünschten Effekt zu erzielen, oder wir sind ihnen in unserer Umgebung ausgesetzt wie zum Beispiel der Hitzeeinwirkung im Sommer. Beispiele für die äusseren Einflüsse sind unter den physikalischen Faktoren:

• Hitze
• Druck
• Strahlung

Zu den chemischen Faktoren gehören:

• Säure
• Lauge
• Ethanol
• Wasser

Die Faktoren müssen dabei häufig einen Schwellenwert wie eine bestimmte Temperatur oder einen bestimmten pH-Wert überschreiten, um eine Denaturierung einzuleiten. Je nach äusserem Einfluss kann anschliessend die Denaturierung wieder rückgängig gemacht werden oder eben nicht.

Wie wirkt sich Denaturierung auf die Proteinstruktur aus?

Kurz vorab erklärt: Ein Protein ist im Grunde eine Kette aus Aminosäuren, die verschiedene Formen annehmen kann und die allgemein in vier verschiedene Strukturen oder Bausteine unterteilt wird. Der erste Baustein ist die Primärstruktur und bezeichnet sozusagen die Reihenfolge, in der sich die Aminosäuren zu einer Kette zusammengefügt haben. Dieser Baustein ist auch der einzige, der bei einer Denaturierung nicht betroffen ist und sich nicht verändert. In der Biochemie werden die folgenden drei Proteinstrukturen wir folgt zusammengefasst:

• Sekundärstruktur: Räumliche Anordnung oder vereinfacht das „Aussehen“, zum Beispiel als Helix, wie sie bei der DNA vorkommt oder als gefaltete Struktur. Die Bauarten bringen jeweils eine unterschiedlich grosse Stabilität mit sich.
• Tertiärstruktur: Räumlicher Aufbau, der aus mehreren Sekundärstrukturen zusammengesetzt ist
• Quartärstruktur: Zusammenschluss von mehreren Tertiärstrukturen

Diese drei Proteinstrukturen werden bei der Denaturierung verändert und verlieren ihre ursprüngliche Form.

Was passiert bei der Denaturierung mit den Aminosäuren?

Die Reihenfolge, in der die Aminosäuren sich aneinander ketten, gehört zur Primärstruktur und wird bei der Denaturierung nicht zerstört. In manchen Fällen macht zum Beispiel die Denaturierung durch Erhitzen die körpereigene Aufnahme der Aminosäuren sogar einfacher, da die grösseren, komplexen Proteinstrukturen schon aufgelöst wurden. Manche essentiellen Aminosäuren werden bei hohen Temperaturen jedoch in ihrer Funktionalität unbrauchbar, sodass es bei hoher Hitzezufuhr einen Verlust an positiven Eigenschaften der Proteine geben kann.

Wo findet Denaturierung statt und wofür kann sie genutzt werden?

Die Biochemie begegnet uns beinah täglich in Form der Denaturierung. Die Umwandlung der Eiweisse sehen wir, wenn wir ein Ei kochen, uns beim Frisör eine Dauerwelle machen lassen, wenn wir Fieber haben oder wenn wir eine Probe zur DNA-Untersuchung abgeben. Bei all diesen Vorgängen ist die Biochemie am Werk und bringt uns durch diese kleine Veränderung der Bindungen im Protein die unterschiedlichsten Ergebnisse. Die Proteinbindungen werden dabei durch Hitze, Salze, Lösungsmittel oder andere der oben genannten Einflüsse verändert.

Ab wann wird Denaturierung gefährlich für uns?

Eine der gefährlichsten Formen der Denaturierung begegnet uns, wenn wir Fieber haben. Bei einer Temperatur von 40 Grad können noch einige der Veränderungsprozesse rückgängig gemacht werden, bei 42 Grad ist die Grenze, ab der es akut lebensbedrohlich wird. Das liegt vor allem daran, dass unsere körpereigenen Enzyme aus Proteinen bestehen, deren Wechselwirkung mit anderen Stoffen in uns lebenswichtig ist. Die Stabilität unserer Enzyme wird bei hohem Fieber gefährdet und die Denaturierung ist ein Grund, warum wir uns bei Fieber energielos und völlig erledigt fühlen.

Können die denaturierten Bindungen der Moleküle wiederhergestellt werden?

Bei vielen Denaturierungsprozessen ist der Vorgang unumkehrbar. Ein gekochtes Ei etwa wird nicht wieder „entkocht“, wenn die Hitzeeinwirkung gestoppt und anschliessend durch Kälte ersetzt wird. Werden bei der DNA zur Untersuchung die Bindungen durch Denaturierung gelöst, kann jedoch danach der Prozess umgekehrt werden und eine Renaturierung stattfinden. Dieser „Wiederaufbau“ ist vor allem auch bei der Proteinbiosynthese unverzichtbar, da hier aus den einzelnen Aminosäuren, die wir bei der Verdauung zerlegt haben, wieder neue Proteine in den Zellen gebildet werden. Dies ist nur möglich, weil in der DNA sozusagen geschrieben steht, in welcher Reihenfolge die Aminosäureketten wieder neu verknüpft werden sollen.