Über die denaturierungstemperatur des enzyms

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Über die Denaturierungstemperatur des Enzyms Glukoseoxidase als Maß seiner Funktionsstabilität sowie ihre nano-kalorimetrische Bestimmung Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Thomas Weiß September 2006

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Über die Denaturierungstemperatur des Enzyms Glukoseoxidase als Maß seiner Funktionsstabilität sowie

ihre nano-kalorimetrische Bestimmung

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades

der Fakultät für Angewandte Wissenschaften

der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Thomas Weiß

September 2006

2

Dekan: Prof. Dr. B. Nebel

Prüfungsausschuss:

Gutachter: Prof. Dr. G. Urban

Zweitgutachter: Prof. Dr. R. Schubert

Vorsitz: Prof. Dr. T. Stieglitz

Beisitz: Prof. Dr. J. Rühe

Datum der Prüfung: 15.02.2007

____________________________________________________________________Abstract

3

Abstract

Bioartificial hydrogels are hybrid materials comprising water, synthetic polymers

and enzymes. They are used in biosensors as sensing elements.

The stability of the enzyme structure and function depends on the

physicochemical properties of the embedding matrix. Moreover, the stability of

the catalytically active structures is temperature depending. In addition, a phase

transition to a random coil occurs at a specific temperature. This phase transition

can be characterized by the temperature of the mid-point of the transition, Tm.

Several techniques are capable of characterizing the transition, e.g.

fluorescence spectroscopy, NMR, circular dicroism, measurement of the

enzymatic activity and differential scanning Calorimetry (DSC). The latter two

were used in this work.

Some different matrices, including solutions and hydrogels with additional

stabilizing co-solvents were characterized with DSC and activity assay with

respect to the stabilization of the enzyme Glucoseoxidase (Gox).

A chip-calorimeter has been invented and proofed to be capable of determining

the Tm of the enzyme GOx.

____________________________________________________________Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 14

2 Grundlagen 19

2.1 Biomimetische Hydrogele 19

2.2 Proteinstabilität 21

2.3 Phasenumwandlungen von Proteinen 23

2.4 Die Überschuss-Wärmekapazität von Proteinen

in Lösung zwischen 25°C und 100°C 27

2.5 Einfluss der Mikroumgebung auf die Proteinstabilität 32

2.5.1 Die Wyman-Gleichung und das Konzept

der bevorzugten Wechselwirkung 33

2.5.2 Stabilisierungsmechanismen 49

2.5.2.1 Sterischer Ausschluss 49

2.5.2.2 Oberflächenspannung 51

2.5.2.3 Solvophobie 52

2.5.2.4 Kompensation von Ladungen

auf der Proteinoberfläche 54

2.6 Funktionsstabilität 57

2.7 Diffusionswiderstand und Thiele-Modulus 58

2.8 Einfluss von Aggregation und Reversibilität auf die

Langlebigkeit von Enzym Präparationen 66

2.9 Die Tm als Maß für die Langlebigkeit von

Enzym-Präparationen 68

3 Materialien und Methoden 74

3.1 Bestimmung der enzymatischen Aktivität 74

3.1.1 Reaktionsgeschwindigkeit und Unit-Definition 75

____________________________________________________________ Inhaltsverzeichnis

5

3.1.2 Photometrie 76

3.1.3 Michaelis-Menten Kinetik 79

3.1.4 Direct-Plot 79

3.1.5 Nicht-lineare Kurvenanpassung 80

3.1.6 µ-Gele 83

3.1.7 Enzymkonzentration 83

3.1.8 Thermische Deaktivierung der Enzymfunktion 84

3.1.9 Stress-Aktivitätstest/Halbwertszeit 86

3.2 Dynamische Differenzialkalorimetrie 87

3.2.1 DTA, Differenzthermoanalyse 87

3.2.2 DSC, Dynamische Differenzialkalorimetrie 87

3.2.2.1 Leistungskompensations-DSC 88

3.2.2.2 Wärmestrom-DSC 89

3.2.3 Heizgeschwindigkeit 89

3.2.4 Vergleich der Messprinzipien DTA und DSC 90

3.2.4.1 Klassische DTA 92

3.2.4.2 Leistungskompensations-DSC 93

3.2.4.3 Wärmefluss-DSC 93

3.2.5 Mikrokalorimetrie 94

3.2.6 Probenvorbereitung DSC 96

3.2.7 Nano-DSC 99

3.2.7.1 Zur Auswahl der Kalibrierungssubstanzen 100

3.2.7.1.1 Flüssigkristalle 101

3.2.7.1.2 Phospholipidvesikel 102

3.2.7.2 Set-Up des Nano-Kalorimeters 104

3.2.7.3 Temperaturmessung mit Ge-Thermistor 108

3.2.7.4 Differenztemperaturmessung 110

____________________________________________________________Inhaltsverzeichnis

6

3.2.7.5 Versiegelung der Probenkammer 113

3.2.7.6 Zeitkonstante 114

3.2.7.7 Empfindlichkeit 117

4 Ergebnisse 121

4.1 GOx-Aktivität 122

4.1.1 Kinetische Konstanten GOx 122

4.1.2 Abschätzung Thiele Modulus 122

4.1.3 Halbwertszeiten 126

4.1.3.1 GOx in Puffer 128

4.1.3.2 GOx + NaCl 129

4.1.3.3 GOx + PEG 130

4.1.3.4 GOx + Sorbitol 131

4.1.3.5 GOx + Xylitol 132

4.1.3.6 GOx in pAA-Hydrogel 133

4.1.3.7 GOx im pAA-Hydrogel+ NaCl 134

4.1.3.8 GOx im pAA-Hydrogel + PEG 135

4.1.3.9 GOx im pAA-Hydrogel + Ficoll 137

4.2 Denaturierungstemperaturen (konventionelle DSC) 139

4.2.1 Einfluss der Heizrate 139

4.2.2 Einfluss der Konzentration des Enzyms 141

4.2.3 GOx in Phosphatpuffer 141

4.2.4 GOx + GndHCl 142

4.2.5 GOx + NaCl 142

4.2.6 GOx + PEG 143

4.2.7 GOx + Dextran 144

4.2.8 GOx + Monomer Acrylamid 144

4.2.9 GOx in pAA-Hydrogel 145

____________________________________________________________ Inhaltsverzeichnis

7

4.2.10 GOx + Monomer HEMA 146

4.2.11 GOx in pHEMA-Hydrogel 147

4.2.12 GOx in pHEMA-Hydrogel + NaCl 148

4.2.13 GOx in pAA-Hydrogel + PEG 149

4.2.14 GOx in pAA-Hydrogel + Ficoll 150

4.2.15 Vermischtes 151

4.3 Thermogramme (Nano-Kalorimeter) 151

4.3.1 Flüssigkristall MH24 151

4.3.2 DMPC (Dimyristoyl–Lecithin) 153

4.3.3 GOx in Lösung und im Hydrogel 154

4.4 Zusammenfassung der Halbwertszeitmessungen

und der Denaturierungstemperaturen 155

5 Diskussion 157

6 Ausblick 164

7 Literaturverzeichnis 168

____________________________________________________ Abkürzungen und Symbole

8

Abkürzungen und Symbole

1 Haupt-Solvens (Wasser)

2 Protein

3 Ko-Solvens

A Debye-Screening Parameter [M–1/2]

A Extinktion

A enzymatische Aktivität [mU]

A Fitparameter in der Steuergleichung des Thermistors [kΩ]

AA Aminosäure

(p)AA (Poly-)Acrylamid

ABTS 2, 2´-Azino-bis 8-ethylbenzthiazolin-6-sulfonsäure

ai Aktivität der Komponente i [M]

B Jones-Dole-Koeffizient [M-1]

Bi Anzahl der Moleküle der Komponente i auf der

Proteinoberfläche

C empirischer Parameter [kJ∗mol-1]

C.U. kooperative Einheit

<∆C> Überschuss-Wärmekapazität [J∗mol-1∗K-1]

<C> Wärmekapazität des Proteins [J∗mol-1∗K-1]

<Ctr> Überschuss-Wärmekapazität des Übergangs [J∗mol-1K-1]

<Cbl> Überschuss-Wärmekapazität der Basislinie [J∗mol-1∗K-1]

CN Wärmekapazität des N-Zustands [J∗mol-1∗K-1]

CD Wärmekapazität des D-Zustands [J∗mol-1∗K-1]

∆DNC Differenz der Wärmekapazitäten von D und N-Zustand

[J∗mol-1∗K-1]

c Konzentration [M]

_____________________________________________________Abkürzungen und Symbole

9

c∞ij Löslichkeit der Komponente i in Medium j [M]

cosh(x) Kosinus-Hyperbolicus

d Dicke eines absorbierenden Mediums [cm]

D denaturiertes Protein

DSC Dynamische Differential Kalorimetrie

DMPC Di-Myristoyl-Phosphatidylcholine

E Energie [J]

E Konzentration aktiven Enzyms [M]

Ed Deaktivierungsenergie [J∗mol-1]

εm millimolarer Absorptionskoeffizient [ml∗µmol-1∗cm-1]

F empirischer Parameter [kJ∗mol-1∗min-1]

FAD Flavin Adenin Dinucleotid

FWHM full width at half maximum

GOx Glucoseoxidase (EC 1.1.3.4)

∆G Gibb´sche Freie Enthalpie [J∗mol-1]

∆Gi(Tm) Freie Energie des Zustand i bei Tm [J∗mol-1]

∆DNG Freie Energie des Übergangs [J∗mol-1]

∆GB Freie Energie der Bindung [J∗mol-1]

∆GS Freie Energie der Solvatisierung [J∗mol-1]

Γ3 Oberflächenkonzentration des Ko-Solvens auf dem Protein

[mol∗m-2]

γi Aktivitätskoeffizient der Komponente i

(∂g1/∂g2)T,P,µ3 Parameter der bevorzugten Hydratation [g∗g-1]

GD gleitender Durchschnitt

GndHCl Guanidiniumhydrochlorid

H Enthalpie [J∗mol-1]

∆DNH Enthalpie des Übergangs [J∗mol-1]

____________________________________________________ Abkürzungen und Symbole

10

∆HvH Van´t Hoff-Enthalpie [J∗mol-1]

<∆H > Überschuss- Enthalpie [J∗mol-1]

η0 dynamische Viskosität des Wassers [Pa∗s]

(p)HEMA (Poly-)Hydroxyethylmethacrylat

I relative Intensität eines monochromatischen Lichtstrahls

ITC Isotherme Titrationskalorimetrie

K Gleichgewichtskonstante

KM Michaelis-Menten Konstante [mM]

KB Bindungskonstante [M-1]

Kex Austauschkonstante

KS Ko-Solvens

k Boltzmannkonstante [J∗K-1]

k3 Setschenow-Koeffizient des Ko-Solvens [M-1]

kcat Überführungszahl [s-1]

kd Geschwindigkeitskonstante der Deaktivierung [s-1]

kD Geschwindigkeitskonstante der Denaturierung [s-1]

kF Geschwindigkeitskonstante der Faltung [s-1]

l flüssig

l Länge der Kalibrierungsmarke in der Aufzeichnung [mm]

Mr Molekulargewicht [kDa]

MH24 4´-Oktyloxy-biphenyl-4-carbonitril

MPD 2-Mthyl-2,4-Pentandiol

mi Molalität der Komponente i [mol∗kg-1]

µi chemisches Potential der Komponente i [J∗mol-1]

∆µ2,Tr Freie Transfer-Energie des Proteins [J∗mol-1]

(∂m1/∂m2)T,P,µ3 Parameter der bevorzugten Hydratation [mol∗mol-1]

(∂m3/∂m2)T,P,µ3 Parameter der bevorzugten Bindung [mol∗mol-1]

_____________________________________________________Abkürzungen und Symbole

11

(∂µ3/∂m3)T,P,m2 Selbst-Interaktionsparameter [J∗g-1]

(∂µ2/∂m3)T,P,m2 Interaktionsparameter [J∗g-1]

ni Anzahl an Molekülen im i-Zustand

N natives Protein

N Anzahl der Aminosäuren eines Proteins

Ntotal Gesamtzahl von Molekülen

n nematisch

∆n Anzahl der im Zuge der Denaturierung neu ausgebildeter

Bindungsstellen

NEM N-Ethyl-Maleimid

NMR magnetische Kernresonanzspektroskopie

P (Heiz-)Leistung [W]

PD Bruchteil des Proteins im denaturierten Zustand

PEG Polyethylenglykol

R molare Gaskonstante [J∗mol-1∗K-1]

R elektrischer Widerstand [Ω]

R0 Fitparameter in der Steuergleichung des Thermistors [kΩ]

RP hydrodynamischer Radius des Proteinmoleküls [nm]

ρ1 Dichte des Haupt-Solvens [g∗cm-3]

s molekulare Oberfläche des Proteins [m2]

σ Oberflächenspannung [J∗m-2]

∆DNS Entropie des Übergangs [J∗mol-1∗K-1]

T1, T2 Membran-Thermistoren

T3 Thermistor auf dem Chipkörper

T absolute Temperatur [K]

Tm Temperatur des Übergangs [K]

TMax Temperatur maximaler Stabilität [K]

____________________________________________________ Abkürzungen und Symbole

12

τ Zeitkonstante [ms]

τ1/2 Halbwertszeit der biologischen Aktivität [min]

t Zeit [s]

t0 Fitparameter in der Steuergleichung des Thermistors [°C]

U Unit (Maß der enzymatischen Aktivität)

U elektrische Spannung [V]

U0 Versorgungsspannung der Messbrücke [V]

Ui Brückenspannung [V]

V Volumen [l]

Vex Ausschlussvolumen [m3]

vMax maximale Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion [mM∗min-1]

v Reaktionsgeschwindigkeit [µmol∗min-1]

vd Geschwindigkeit der Enzymdeaktivierung [µmol∗min-1]

smA smektisch A

TKR Temperaturkoeffizient des Widerstandes [K-1]

θ Langmuir-Isotherme [∅]

θex Wahrscheinlichkeit der Belegung einer Bindungsstelle [∅]

___________________________________________________________Acknowledgements

13

Acknowledgements

I like to thank Prof. Urban for giving me the opportunity to perform this research

in his versatile interdisciplinary group (thanks to all of them) and for supervising

and promoting this thesis all along.

I thank Dr. Moser for introducing me into the novel and challenging field of

biosensor research, the helpful discussions and for proofreading parts of the

manuscript.

In particular I wish to thank G. Igel for the technical advice and the numerous

valuable discussions. Without his experienced patience and educational skills

the set-up would not have been kept that straightforward.

P. Letzkus (stress-activity test), N. Prabhakar (DSC) und M. Hofferberth (shelf

lives) were active and pleasant collaborators. I could not have missed their

assistance.

Last but not least I am indebted to the Deutsche Forschungsgemeinschaft for

financial support and for providing the infrastructure of the Sonderforschungs-

bereich 428, “Makromolekulare Netzwerke”.

________________________________________________________________ 1. Einleitung

14

1. Einleitung Das Cytosol der Zelle ist eine hochkonzentrierte Lösung mit mehreren hundert

Gramm an Gelöstem pro Liter. Diese Umgebung ist deutlich verschieden von den

verdünnten Lösungen, die normalerweise den Hintergrund für biochemische

Prozesse in vitro bilden. In der zellulären Umgebung ist die Diffusion vor allem

größerer Moleküle herabgesetzt, während die Neigung zur Selbstassoziation

verstärkt und die Proteinstabilität erhöht ist [1]. Hydrogele aus Wasser, einem

vernetzten quellbaren Polymer und darin eingebetteten katalytisch aktiven Proteinen

können als einfaches biomimetisches Cytosol angesehen werden, in denen ähnliche

Bedingungen wie im Zellinneren vorliegen [2]. Membranen aus biomimetischen

Hydrogelen finden in der Bioanalytik Verwendung in amperometrischen Biosensoren:

Produkte der enzymatischen Reaktion, die in dem Hydrogel, das in Kontakt steht mit

einer Analyt-Lösung von physiologisch relevanten Enzymsubstraten, akkumulieren,

können an unterlegten µ-Elektroden elektrochemisch nachgewiesen werden [3,4].

Enzyme dienen ihrer besonderen Selektivität wegen auch als heterogene

Katalysatoren in Bioreaktoren in der enantiomerenreinen Synthese einiger

Feinchemikalien [5,6]. Ist der Einsatz von Enzymkatalysatoren durch die Stabilität der

Enzymfunktion begrenzt, z.B. bei ihrem Einsatz bei erhöhter Temperatur oder im

Langzeiteinsatz, stellt sich die Frage, ob und wie das Enzym in dem Hydrogel

stabilisiert werden kann.

Ziel dieser Arbeit war es, eine physiko-chemische Beschreibung der Mechanismen

zu geben, die zur Stabilisierung bzw. Destabilisierung der Enzyme in Hydrogelen

führen. Im Zentrum stand dabei die Frage, ob oder unter welchen Voraussetzungen

die Denaturierungstemperatur Tm des Enzyms Glukoseoxidase (GOx) ein Maß für

deren Funktionsstabilität sein kann, die ein bedeutendes Qualitätsmerkmal von

Biosensoren ist [7]. Dazu wurden Messwerte der Denaturierungstemperatur des

________________________________________________________________ 1. Einleitung

15

Enzyms GOx in Beziehung gesetzt zu Messwerten der Lebensdauer der

Katalysefähigkeit bei erhöhter Temperatur.

Die Bestimmung der Denaturierungstemperatur Tm erfolgte zunächst mit

konventionellen DSC-Geräten (Perkin Elmer DSC7 oder Netzsch DSC 204).

Gleichzeitig wurde untersucht, ob es möglich ist, die Denaturierungstemperatur mit

einem dynamischen Nano-Kalorimeter, dessen Herzstück ein Membran-Chip bildet,

zu bestimmen, insbesondere, wenn das Enzym sich nicht in wässriger Lösung

sondern in einer Hydrogelmatrix befindet.

Hydrogele sind Materialien, die in ihrem Aggregatzustand zwischen fest und flüssig

angesiedelt sind. Sie sind fest, weil sie aufgrund der Vernetzung des Polymers nicht

fließen, und sie sind flüssig, weil sie weich sind [8]. Hochempfindliche Mikro-

Kalorimeter (MicroCal™, CSC™, Setaram™) können zur Untersuchung von

Hydrogelen nicht eingesetzt werden, weil diese aufgrund ihrer Bauart ausschließlich

für fließfähige Proben ausgelegt sind. Daher musste die Untersuchung der Energetik

der thermischen Denaturierung von Enzymen in quasi-festen Hydrogelen mit

konventionellen DSC-Geräten erfolgen und auf die Bestimmung der

Denaturierungstemperatur beschränkt bleiben. State-of-the-art Mikro-Kalorimeter

ermöglichen hingegen die vollständige Beschreibung der Thermodynamik der

Denaturierung, für die neben der Denaturierungstemperatur die Bestimmung der

Enthalpie des Übergangs ∆DNH und die Differenz der Wärmekapazitäten zwischen

nativem und denaturiertem Enzym ∆DNC nötig ist. Mit diesem Datensatz lässt sich die

temperaturabhängige Stabilitätskurve ∆DNG(T) des Enzyms im Hinblick auf die

Denaturierung bestimmen [9].

In der DSC von Enzymen mittels konventioneller DSC wird die Probenmenge zum

kritischen Faktor: Reihenuntersuchungen erfordern die Verfügbarkeit des Enzyms bis

in den Gramm-Bereich hinein. Solch große Mengen an gereinigtem Enzym stehen

________________________________________________________________ 1. Einleitung

16

jedoch nur ausnahmsweise zur Verfügung, wie hier die GOx, die in industriellem

Maßstab hergestellt wird.

Für diese Untersuchungen ist z.Z. die Nano-Kalorimetrie die Methode der Wahl.

Die katalytische Stabilität des Enzyms wurde mittels eines Stress-Aktivitätstests bei

60°C in unterschiedlichen Medien untersucht. Die so bestimmten Halbwertszeiten der

enzymatischen Aktivität dienten als Maß für die Funktionsstabilität der GOx.

Enzyme sind Makromoleküle aus Aminosäuren. Sie falten sich in wässriger Lösung

spontan zu hochspezifischen Strukturen von 1–10 nm räumlicher Ausdehnung

[10,11]. An diesen Strukturen verlaufen spezifische chemische Reaktionen

katalysiert. Die für das jeweilige Enzym charakteristische Struktur ist in der Sequenz

der Aminosäuren festgelegt. Eine Reihe inter- und intramolekularer

Wechselwirkungen trägt zur Aufrechterhaltung dieser Strukturen bei und macht sie

ca. 50 kJ/mol stabil gegenüber einer zufälligen Anordnung der Segmente der

Polypeptidkette [12,13]. Diese Energie reicht aus, das Polypeptid bis nahe an eine

charakteristische Temperatur Tm in der nativen, gefalteten Konformation zu halten.

Diese Tm liegt für typische Proteine bei 50-70°C. An der Aufrechterhaltung dieser

Strukturen sind neben intrinsischen Wechselwirkungen innerhalb des

Makromoleküls, wie van-der-Waals-Kräfte, intermolekulare Wasserstoffbrücken,

Salzbrücken und Disulfidbrücken, auch solche mit Lösungsmittelmolekülen und, so

vorhanden, mit Ko-Solventien in der Lösung beteiligt.

Thermophile, einzellige Organismen, die ihr Wachstumsoptimum bei annähernd 100

°C haben, müssen über besondere Mechanismen verfügen, die für ihren

Stoffwechsel notwendigen Enzyme zu stabilisieren. Bei derart hohen Temperaturen

sind die Enzyme von mesophilen homologen Organismen, die ihr

Wachstumsoptimum bei physiologischen Temperaturen haben, inaktiv, weil die

________________________________________________________________ 1. Einleitung

17

native gefaltete Konformation in die denaturierte statistische gewechselt hat [14].

Wodurch unterscheiden sich intrinsisch stabilisierte d.h. in der Primärstruktur

veränderte Proteine von weniger stabilen? Ein Vergleich der Sequenzen von

thermophilen Enzymen mit ihren Homologen aus mesophilen Organismen zeigt

einige Besonderheiten der thermophilen Enzyme wie die relative Häufung bestimmter

Aminosäuren (Lysin, Prolin) und die Verkleinerung von Schlaufen in der gefalteten

Struktur [15]. Generell sind die Sequenzen aber sehr ähnlich und unterschiedliche

Stabilitäten sind eher auf spezifische Änderungen einzelner Aminosäuren als auf

allgemeine Sequenzmuster zurückzuführen. Dieses Ergebnis wird dadurch bestärkt,

dass die Netto-Stabilität, die sich aus allen stabilisierenden und destabilisierenden

Wechselwirkunken, die jeweils im Bereich von einigen MJ/mol liegen,

zusammensetzt, nur ca. 50 kJ/mol beträgt [13,35]. Das entspricht der Energie einiger

weniger schwacher Wechselwirkungen, z.B. zweier Wasserstoffbrückenbindungen.

Die Stabilität von Enzymen, charakterisiert durch die Denaturierungstemperatur, lässt

sich durch Mutationen einzelner entscheidender Aminosäuren steigern unter

Verschiebung der Tm um mehr als 10°C [14]. Der Evolutionsdruck liegt in vivo aber

nicht nur bzw. immer auf Stabilitätserhöhung, ist doch die materielle Substanz

biologischer Systeme in ständigem Umbau begriffen, sondern eher auf Erhalt und

Optimierung der Funktion, die an die molekulare Dynamik der makromolekularen

Strukturen gekoppelt ist [16-18]. Das lässt Spezialisten unter den Organismen Raum,

ihr biochemisches Inventar an anspruchsvolle Umweltbedingungen wie

Temperaturstress in heißen Quellen oder hohen Salzgehalt anzupassen.

Eine solche Anpassungsleistung ist hier besonders interessant, weil sie einen

alternativen Weg aufzeigt, die Stabilität von Enzymen zu erhöhen: nicht intrinsisch

durch Mutagenese, sondern durch solvent engineering, also durch gezielte

Beeinflussung der Mikroumgebung der Enzyme.

________________________________________________________________ 1. Einleitung

18

Das Cytosol der Zelle ist der Reaktionsraum für eine Vielzahl von enzymatisch

katalysierten chemischen Reaktionen. Darin ist ein Großteil des Volumens von

Makromolekülen eingenommen und somit unzugänglich für andere Bestandteile der

hochkonzentrierten Lösung. Zur Erklärung des Effektes hoher Konzentrationen von

Ko-Solventien auf die Stabilität von Proteinen im Hinblick auf thermische

Denaturierung, wurde eine Wechselwirkung neuen Typs, die excluded volume

interaction, vorgeschlagen. Diese Wechselwirkung beruht auf dem Ausschluss von

größeren Molekülen durch kleinere an der Kontaktfläche Enzym/Lösung und wird als

molecular confinement oder molecular crowding bezeichnet [19-23]. Dieser

Ausschluss ist energetisch unvorteilhaft, weil er Konzentrationsgradienten erzeugt,

und er nimmt mit der molekularen Oberfläche des Enzyms proportional zu. Der

Wechsel der bei tiefen Temperaturen stabilen katalytisch aktiven Konformation zur

denaturierten inaktiven Form ist mit einer Vergrößerung der

lösungsmittelzugänglichen Oberfläche verbunden, die zur Verstärkung der

unvorteilhaften Wechselwirkung führt. Nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges wird

deshalb durch voluminöse bzw. verdrängte Ko-Solventien die konformative Stabilität

des nativen Enzyms erhöht [24]. Bedenkt man, dass Wasser eines der kleinsten

Moleküle überhaupt ist (< 0,2 nm), kann man erahnen, dass die Ausschlussvolumen-

Wechselwirkung in wässriger Lösung und damit in biologischen Systemen ubiquitär

ist.

In einigen Organismen werden zur Anpassung an Stressfaktoren darüber hinaus

kleine Moleküle (compatible osmolytes) in hohen Konzentration akkumuliert [25-28].

Diese Osmolyten erhöhen die Oberflächenspannung des Wassers und sind von der

molekularen Oberfläche des Proteins verdrängt, d.h. die Konzentration der

Osmolyten an der Oberfläche des Proteins ist niedriger als in der umgebenden

Lösung.

_______________________________________________________________

19

2. Grundlagen

2. Grundlagen

2.1 Biomimetische Hydrogele

Biomimetische Hydrogele sind wassergequollene weiche Materialien, die biologische

Funktionen nachahmen. Die Funktion kann z.B. die Kontrolle des Blutflusses durch

die Venenklappen sein: ein Paar pH-sensitiver Hydrogelstreifen kann durch

Änderungen des lokalen pH-Wertes aktiviert werden als Folge von reversiblen

Volumen- oder Formänderungen [29]. Eine weitere Funktion, die von biomimetischen

Hydrogelen nachgeahmt wird, ist die Faktor VIII-induzierte Gerinnung von Blutzellen,

ein wichtiger Schritt in der Wundheilung. Der Faktor VIII, eine spezielle

Transglutaminase, kann benutzt werden, um spezielle biomimetische synthetische

Polymere (glutamin-derivatisiete PEGs und lysinreiche Polypeptide) Ca2+-abhängig

reversibel zu vernetzen, um so gezielt in situ biokompatible Materialien zu erzeugen.

Hier gibt es medizinische Anwendungen in der Wundheilung, in der Einführung

knochenbildenden Materials und im drug bzw. gene delivery [30]. Selbst die

Katalyse-Funktion der Enzyme kann durch biomimetische Hydrogele nachgebildet

werden: Sogenannte polymer imprints sind Hydrogelnetzwerke, die, ähnlich den

Enzymen, molekulare Taschen bilden (durch Co-Polymerisation eines das

Enzymsubstrat imitierenden templates). Nach Herauslösen des Templates verbleiben

in dem Hydrogel katalytisch aktive Stellen zur Aufnahme und Umwandlung des

Substrates. Durch die Möglichkeit zusätzlich das Quellverhalten dieser Hydrogele

durch externe Stimuli zu beeinflussen, können solche mimetischen Enzyme ein- und

ausgeschaltet werden, wodurch sowohl die Katalysefähigkeit als auch die

Regulierbarkeit der nativen Enzyme nachgebildet ist [31]. Mimetische Enzyme zeigen

sich häufig als robuster gegenüber ihren nativen Vorbildern, was für ihren Einsatz in

Bioreaktoren und Biosensoren von Vorteil ist [1].

_______________________________________________________________2. Grundlagen

20

Hydrogele aus synthetischen Polymeren und darin eingebetteten Enzymen können

als einfaches mimetisches Cytosol bzw. als mimetisches Gewebe angesehen werden

insofern sie nicht nur die limitierte Diffusion in der hochkonzentrierten Lösung im

Zellinneren nachahmen und als Modell desselben dienen, sondern es können auch

die biologischen Stabilisierungsmechanismen der nativen Enzymstruktur in vivo in

vitro nachgebildet werden. Diese Stabilisierungsmechanismen, die als molecular

crowding bezeichnet werden und die Begrenztheit des freien Lösungsmittelvolumens

in hochkonzentrierten Polymer- bzw. Elektrolyt-Lösungen zur Grundlage haben,

wurden durch die thermodynamische Beschreibung der Mehr-Komponenten-

Lösungen verständlich [32] (s. Kapitel 2.5). Mimetische Gewebe, die mit den

mimetischen Enzymen eng verwandt sind, dienen in Bioreaktoren und Biosensoren

als Reaktionsraum. Die spezifische Beschaffenheit des synthetischen

Polymergerüsts und von stabilisierenden Ko-Solventien ist durch Implementierung

von Strukturcharakteristika der in vivo gefundenen polymeren oder monomeren

Stabilisatoren an die Erfordernisse des jeweiligen zu stabilisierenden Enzyms

adaptierbar (solvent engineering).

Biomimetischen Hydrogele, in denen das Enzym in einem vernetzten Polymer

eingeschlossen ist, können erzeugt werden, in dem die reaktive Mischung des

Monomers, des Enzyms und der Ko-Solventien in Wasser durch Zugabe eines

Initiators (häufig ein Radikal) oder durch Bestrahlung mit Licht geeigneter

Wellenlänge zur Vernetzung gebracht wird. Diese Gele bieten dem Enzym einen

großen Diffusionswiderstand, so dass sie nicht oder nur wenig ausgewaschen

werden, wenn das Hydrogel in Kontakt mit einer Analyt-Lösung gebracht wird.

Umgekehrt können die wesentlich kleineren Substrate und Produkte der Reaktion,

hier Glukose und Wasserstoffperoxyd, in das Gel und aus diesem heraus

diffundieren. Allerdings bestehen auch für diese Diffusionswiderstände, die mit dem

Abstand zur Lösung zunehmen.

_______________________________________________________________

21

2. Grundlagen

2.2 Proteinstabilität

Die Stabilität von Biosensoren ist eng gekoppelt an die Stabilität der verwendeten

katalytischen Proteine, der Enzyme [33].

Ein Enzym als reaktive Substanz ist in Wasser einer Reihe von Abbaureaktionen, vor

allem der Derivatisierung durch oxidative Deamidation, dem Austausch und der

Modifizierung von Disulfid-Gruppen, der Proteolyse, dem Verlust von Co-Faktoren

sowie dem Einfluss von reaktiver Strahlung ausgesetzt [34,35,36]. Des weiteren

besteht ein Gleichgewicht zwischen der gefalteten nativen und der denaturierten

Konformation sowie zwischen einzelnen Proteinmolekülen und Aggregaten

derselben. Sind die Geschwindigkeiten der abbauenden Prozesse hinreichend

langsam, kann das Protein als stabile chemisch einheitliche Substanz betrachtet

werden, das sich im Gleichgewicht zwischen der nativen und denaturierten

Konformation befindet. Die Funktion der enzymatischen Proteine als Katalysator

biochemischer Reaktionen wird gesteuert durch biochemische Liganden (Aktivatoren,

Inhibitoren, Ko-Solventien) und ist empfindlich gegen Blockierung („Vergiftung“) der

reaktiven Zentren z.B. durch Bindung von Schwermetall-Ionen oder von toxischen

Gasen. Ist diese Bindung nicht-kovalent, etwa koordinativ, ist die resultierende

Inhibierung reversibel und das native Proteine kann rekonstituiert werden.

Andernfalls muss das Proteinmolekül als derivatisiert gelten.

Die chemische Funktion von Enzymen im Organismus ist ihre regulierbare

katalytische Aktivität. Sie ist an die native Konformation gekoppelt, so dass unter

Vorgabe kontrollierter Reaktionsbedingungen und niedriger

Reaktionsgeschwindigkeit der abbauenden Reaktionen die enzymatische Aktivität als

Maß für den Bruchteil des Enzyms gelten kann, der in der nativen Konformation

vorliegt. Kurz gesagt: Was aktiv ist, ist auf jeden Fall nativ. Das Umgekehrte gilt nur

eingeschränkt. Was nativ ist, ist aktiv, es sei denn, es ist inhibiert.

_______________________________________________________________2. Grundlagen

22

Abbildung 1: Verschiedene Aspekte der Stabilität eines Enzyms. Die thermodynamische Beschreibung

der Stabilität konzentriert sich auf die Lage des Gleichgewichtes zwischen der nativen und

denaturierten Konformation des Proteins.

Die Lage des Gleichgewichts zwischen der nativen und der denaturierten

Konformation in Abhängigkeit von der Ko-Solvens-Konzentration kann durch

dynamische Differenzialkalorimetrie bestimmt werden. Die technisch bedeutsamere

Halbwertszeit τ1/2 der enzymatischen Aktivität lässt sich durch Messung der

Deaktivierung unter Stressbedingungen wie z.B. erhöhter Temperatur bestimmen.

Bei erhöhter Temperatur ist die Deaktivierung schneller und die Bestimmung der

Halbwertszeiten ist genauer als bei 37°C [37]. Die Funktion des Enzyms ist bei

Zusatz hoher Konzentrationen extrinsisch stabilisierender Ko-Solventien stabiler d.h.

die Halbwertszeit τ1/2 ist verlängert und Tm ist häufig erhöht. Gleichzeitig ist die

spezifische Aktivität in Anwesenheit von Ko-Solventien häufig niedriger als in Wasser

[38].

Die Methoden zur Stabilisierung lassen sich in intrinsische und extrinsische

unterscheiden. Quellen der intrinsischen Stabilität von gefalteten Proteinen sind

elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und die

hydrophobe Wechselwirkung [39]. Die intrinsische Stabilisierung verändert einzelne

_______________________________________________________________

23

2. Grundlagen

Bereiche des biologischen Makromoleküls durch Mutagenese, d.h. durch gezielten

Austausch einzelner Aminosäuren, oder durch Allosterie, d.h. durch Bindung von

Liganden an bestimmten Bindungsstellen. Die extrinsische Stabilisierung betrifft das

Makromolekül als Ganzes über seine Kontaktfläche zur Mikroumgebung. Häufig

führen Mutationen, die zur globalen Stabilisierung der nativen Konformation führen,

ablesbar an einer höheren Denaturierungstemperatur Tm zu einer verringerten

enzymatischen Aktivität. Daraus wurde eine entkoppelte Evolution der globalen

Stabilität einerseits und lokal erhöhter Flexibilität als Grundlage der Katalysefähigkeit

gefolgert [40-43].

2.3 Phasenumwandlungen von Proteinen

Unter dem Begriff Proteinfaltung versteht man den Prozess, in dem eine

Polypeptidkette in wässriger Lösung spontan ihre biologisch aktive dreidimensionale

Struktur annimmt [10]. Katalytisch aktiv ist die strukturiert gefaltete Konformation.

Häufig wird der physikochemischen Beschreibung der Denaturierung ein Modell

zugrunde gelegt, das die Phasenumwandlung als Balance zwischen nur zwei

Zuständen, einem geordneten gefalteten und einem ungeordneten statistischen

beschreibt. In diesem Modell befindet sich ein Proteinmolekül im Gleichgewicht

zwischen der nativen, gefalteten Konformation N und der denaturierten, inaktiven

Form D.

Formel 1

Für dieses Modell der Proteinfaltung lässt sich die Gleichgewichtskonstante K

definieren und mit Hilfe der Gibbs-Gleichung die thermodynamische Stabilität ∆G

eines nativen Proteins gegenüber seinem entfalteten Zustand angeben:

_______________________________________________________________2. Grundlagen

24

[ ][ ] D

F

kk

DNK ==

(1)

KTRGDN ln⋅⋅−=∆

(2)

Dabei sind kF und kD die mikroskopischen Geschwindigkeitskonstanten 1. Ordnung

von Faltung und Denaturierung, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur

in Kelvin. Strategien zur Verschiebung des Gleichgewichts hin zum nativen Zustand

können entweder an der Erhöhung der Faltungsgeschwindigkeit kF oder der

Erniedrigung der Denaturierungsgeschwindigkeit kD ansetzen.

Die Proteinfaltung und -entfaltung gehorcht der thermodynamischen Grundgleichung:

STHG DN

DN

DN ∆−∆=∆

(3)

Wechselt ein Protein bei konstanter Temperatur von einem Zustand in einen

anderen, N→D, ergeben sich die Änderungen der Enthalpie und der Entropie direkt

aus der integralen Form ihrer Definitionen:

( )∫ ∆+⋅∆=−=∆T

Tref

DN

DNND

DN

ref

THdTCHHH

(4a)

( )refDN

T

T

DN

NDDN TSdT

TCSSS

ref

∆+⋅∆

=−=∆ ∫

(4b)

Dabei ist

NDDN CCC −=∆

(5)

die Differenz zwischen der Wärmekapazität von Protein im nativen Zustand N und

dem denaturierten Zustand D bei der gegebenen Temperatur. Besteht also eine

_______________________________________________________________

25

2. Grundlagen

Wärmekapazitätsdifferenz zwischen den beiden Zuständen, sind sowohl ∆DNH als

auch ∆DNS temperaturabhängig [12,13].

Abbildung 2: Temperaturabhängigkeit der thermodynamischen Parameter für die Denaturierung eines

hypothetischen Modelproteins, berechnet nach einem 2-Zustandsmodell (Gleichungen 6a, 6b und 8)

mit Tm= 333 K, ∆DNH= 500 kJ mol-1, einem temperaturunabhängigen ∆D

NC von 7 kJ mol-1 K-1 (≅0,044

µJ/µg/K) und ∆DNS=1,5 kJ mol-1 K-1. Die Denaturierungstemperatur Tm wird markiert durch den

Schnittpunkt der ∆DNH - bzw. T∆D

NS-Linien. Bei dieser Temperatur schneidet ∆DNG die Nulllinie.

Für einen begrenzten Temperaturbereich ist es eine sinnvolle Näherung ∆DNC

zunächst als Konstante anzusehen, so dass die obigen Gleichungen integriert

werden können [13]:

)()()( refDNref

DN

DN TTCTHTH −⋅∆+∆≅∆

(6a)

_______________________________________________________________2. Grundlagen

26

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆+∆≅∆

ref

DNref

DN

DN T

TCTSTS ln)()(

(6b)

Tatsächlich ist ∆DNC etwas temperaturabhängig: die Wärmekapazitätsdifferenz ∆D

NC

nimmt bis ca. 50 °C leicht zu, nimmt bei höheren Temperaturen ab und geht bei ca.

140 °C gegen Null. Die hydrophobe Wechselwirkung ist eine der Quellen der

Stabilität von Proteinen. Sie bestimmt auch die Löslichkeiten von unpolaren

Kohlenwasserstoffen in Wasser. Der hydrophobe Effekt hat seine obere Grenze

ebenfalls bei ca. 140°C und ein Zusammenhang zwischen dem ∆DNC und dem

hydrophoben Effekt wird in der Literatur diskutiert [44,45].

In der Beschreibung der Proteindenaturierung wird häufig der Mittelpunkt des

Phasenübergangs Tm als Referenztemperatur benutzt. Tm ist definiert als die

Temperatur, an der ∆DNG zu Null wird, und es gilt:

( ) ( )mDN

m

mDN TST

TH ∆=∆

(7)

ist. Daraus ergibt sich für die Temperaturabhängigkeit von ∆DNG unter der Annahme,

dass sich die Wärmekapazitätsdifferenz ∆DNC zwischen N und D mit der Temperatur

nicht ändert, Gleichung 8:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+−∆−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−∆=∆

mm

DN

mm

DN

DN T

TTTTCTTTHTG ln1)()(

(8)

Tm ist der Schmelzpunkt des Proteins, ∆DNH die thermische Umwandlungs-Enthalpie

und ∆DNC der Unterschied zwischen der Wärmekapazität des nativen und des

denaturierten Proteins. Diese Gleichung wird als Gibbs-Helmholtz-Gleichung

bezeichnet. Die drei Parameter Tm, ∆DNH und ∆D

NC können allesamt durch

kalorimetrische Messungen experimentell bestimmt werden. Die Auftragung von

_______________________________________________________________

27

2. Grundlagen

∆DNG gegen T liefert für alle Proteine, für die diese Daten vorliegen, eine

hyperbolisch gekrümmte Kurve (Abbildung 2). Sie wird als Stabilitätskurve des

Proteins bezeichnet [9]. Eine interessante Konsequenz dieser hyperbolischen

Temperaturabhängigkeit von ∆DNG(T) ist die Tatsache, dass neben dem

Schmelzpunkt auch einen Kältedenaturierungspunkt (kaltes „Schmelzen“) existiert

[46], und dass es für jedes Protein eine Temperatur maximaler thermodynamischer

Stabilität T´ gibt, die für die meisten Enzyme in der Nähe der Raumtemperatur (283-

293 K) liegt [47].

2.4 Die Überschuss-Wärmekapazität von Proteinen in Lösung

zwischen 25°C und 100°C.

Die Wärmekapazität einer Probe spiegelt die Fähigkeit des Materials wieder,

Wärmeenergie zu absorbieren ohne dabei seine Temperatur zu erhöhen. Dies ist

zentral für DSC-Messungen von verdünnten Proteinlösungen und die

zugrundeliegende fundamentale Thermodynamik. Flüssiges Wasser hat eine relativ

hohe Wärmekapazität (≅ R/2) aufgrund seines ausgedehnten Netzwerkes aus

Wasserstoffbrücken. Aufgenommene Wärmeenergie kann in das Aufbrechen dieser

Wasserstoffbrückenbindungen verteilt werden, ohne die kinetische Energie der

Wassermoleküle, d.h. ihre Temperatur zu erhöhen. Organische Materie, Proteine und

Nukleinsäuren eingeschlossen, hat eine niedrigere Wärmekapazität als Wasser,

außer es findet in ihr ein Prozess statt, der in irgendeiner Weise mit dem Bruch von

Bindungen verbunden ist. Die Wärmekapazität von verdünnten Lösungen von

Biomolekülen ist demnach hauptsächlich von der Wärmekapazität des Wassers

bestimmt.

_______________________________________________________________2. Grundlagen

28

Das erste Resultat eines DSC Experimentes ist die partielle spezifische

Wärmekapazität des Proteins <C(T)>. Diese Größe enthält wichtige Informationen

über den Zustand des Proteins. Für kleine, globuläre Proteine liegen die Werte der

spezifischen partiellen Wärmekapazität <C> bei 25°C im Bereich zwischen 1,2 und

2,3 Jg-1K-1, und nehmen linear mit der Temperatur mit einer Steigung von

5-7 mJK-2g-1 zu. Ist die Wärmekapazität bei 25°C signifikant höher als 2,3 Jg-1K-1,

kann das ein Hinweis darauf sein, dass das Protein nicht vollständig gefaltet ist. Die

Wärmekapazität des denaturierten Zustands ist um ca. 0,3-0,7 JK-1g-1 höher als die

des nativen und kann durch eine quadratische Funktion der Temperatur angenähert

werden [13].

Die entscheidende Größe der thermodynamischen Beschreibung des thermischen

Denaturierens eines Proteins ist die Überschuss-Wärmekapazität <∆DNC>. Diese ist

zugänglich durch Substraktion der extrapolierten temperaturabhängigen

Wärmekapazität des nativen Zustands CN von der kontinuierlich gemessenen

Wärmekapazität des Proteins <C> :

NDN CCC −=∆

(9)

Der Bruchteil des Proteins im denaturierten Zustand PD ist ein Maß für den Fortschritt

der Umwandlung [48]. Bei niedrigen Temperaturen, fern der

Umwandlungstemperatur Tm, ist er verschwindend klein, jenseits der

Umwandlungstemperatur nahezu 1.

[ ]

[ ] [ ]NDDPD +

=

(10)

[D] ist die Konzentration des denaturierten Proteins, [N] die des Nativen. [N]+[D] ist

die Gesamtenzymkonzentration.

_______________________________________________________________

29

2. Grundlagen

Mithilfe von PD kann die Überschuss-Enthalpie für den Zwei-Stufenprozess NºD

definiert werden:

HPH DND

DN ∆=∆

(11a)

Die Überschusswärmekapazität wird analog definiert:

CPC DND

DN ∆=∆

(11b)

Wegen:

D

D

PPK−

=1

(12)

und

( ) ( ) ( ) dTdP

PPdTdPP

dTdPP

RTH

TK D

DD

DD

DD

DN

−=−+=

∆=

∂∂

11111ln

2

(13)

ergibt sich für die Temperaturabhängigkeit von PD:

( )DD

DND PP

RT

HdTdP

−∆

= 12

(14)

_______________________________________________________________2. Grundlagen

30

Abbildung 3: Bruchteil eines

Proteins im denaturierten

Zustand PD in Abhängigkeit

von der Temperatur. Das

Modellprotein denaturiert bei

333 K. Die weiteren

Parameter s. Abb.2.

Für die Überschusswärmekapazität in Abhängigkeit von der Temperatur mit

Denaturierungsenthalpie ∆DNH der Freien Enthalpie der Denaturierung ∆D

NG und der

Wärmekapazitätsdifferenz der Denaturierung ∆DNC ergibt sich damit, nach einigem

Umformen:

( ) CPTPHdTHdC D

NDDD

NDN

DN ∆+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛

∂∂∆=∆=∆

(15 )

und

( )

blDNtr

DN

DND

N

DN

DN

DND

N

CC

RTGRTG

CRT

GRT

HC

∆+∆=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆∆−

∆+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛∆∆

=∆ −−

2cosh)2/exp(22cosh

412

2

2(16)

_______________________________________________________________

31

2. Grundlagen

Abbildung 4: Überschuss-Wärmekapazität eines Protein, berechnet nach Gleichung 16. Die Parameter

des Übergangs sind dieselben wie in Abbildung 2.

Der erste Term auf der rechten Seite, <∆DNCtr>, ist die Funktion der Überschuss-

Wärmekapazität des Übergangs und definiert den charakteristischen Peak in der

Funktion der Wärmekapazität. Dieser Anteil der Exzess-Wärmekapazität ist eine

Folge der erhöhten Enthalpie-Fluktuationen des Systems, wenn es während der

Denaturierung von einem Zustand in den anderen wechselt [49].

Der zweite Term der rechten Seite, <∆DNCbl>, beschreibt den sigmoidalen Verlauf der

Basislinie, wie er üblicherweise mit der Proteindenaturierung oder anderen

Prozessen, die mit positivem ∆C einhergehen, verbunden ist.

_______________________________________________________________2. Grundlagen

32

,

,

2.5 Einfluss der Mikroumgebung auf die Proteinstabilität

„... if a biological process i.e., a biochemical reaction,

is controlled by some factor, x,

(which we may call the allosteric effector,

cofactor, coenzyme, cosolvent etc.),

then the extent of binding of x will change

during the course of the reaction; i.e.,

binding will be different to the reactant and to the product.“

Serge N. Timasheff, 1998

Die Stabilität von Proteinen kann durch Zusatz von Ko-Solventien in hohen

Konzentrationen (typischerweise zwischen 0,3 M und 10 M) modifiziert werden [50].

Die benötigten hohen Konzentrationen zeigen, dass die Wechselwirkungen schwach

sind, charakterisiert durch eine kaum von Null verschiedene Änderung der Freien

Energie. Zu den am häufigsten zur Stabilisierung verwendeten Substanzen gehören

Zucker und Polyole, sowie gute „salting-out“ Salze (z.B. Na2SO4, s.a. Kapitel 2.5.2.3

und 2.5.2.3). Die gebräuchlichsten Denaturierungsmittel sind Harnstoff und

Guanidiniumhydrochlorid [51].

Die Wirkmechanismen dieser Ko-Solventien auf die Löslichkeit und Stabilität von

Proteinen sind direkte Auswirkungen der bevorzugten Wechselwirkung des Proteins

[52]. Die beobachtete Wechselwirkung kann bevorzugte Bindung oder bevorzugte

Verdrängung, auch bevorzugte Hydratation genannt, sein. Bevorzugte Bindung

beschreibt einen Überschuss an Ko-Solvens in der Sphäre des Proteins gegenüber

der Lösung. Bevorzugte Hydratation beschreibt die Verarmung an Ko-Solvens in der

Proteinsphäre. Bevorzugte Bindung und bevorzugte Hydratation verhalten sich

_______________________________________________________________

33

2. Grundlagen

komplementär zueinander, weil freibleibende Stellen auf der Oberfläche nicht

existieren.

2.5.1 Die Wyman-Gleichung und das Konzept der bevorzugten

Wechselwirkung

Der Effekt eines Liganden auf ein chemisches Gleichgewicht wie die Denaturierung

wird durch die Wyman-Gleichung, Gleichung 17, beschrieben [53].

Für eine monomolekulare Gleichgewichtsreaktion wie die Denaturierung eines

Proteins, N º D, die von einem Ko-Solvens beeinflusst ist, besteht ein

Zusammenhang zwischen der Bindung des Ko-Solvens´ an die beiden

Konformationen des Proteins und der Gleichgewichtskonstanten der

Umwandlungsreaktion von N nach D.

Die sogenannte bevorzugte Wechselwirkung ist Ausdruck einer Neuverteilung der

Lösungsmittelzusammensetzung in der Umgebung eines Proteinmoleküls. Die Größe

(∂m3/∂m2)T,P,µ3 ist die Störung der Ko-Solvens-Konzentration m3 bei Änderung der

Proteinkonzentration m2 unter Bedingungen konstanten chemischen Potentials des

Ko-Solvens µ3. Sie wird im folgenden als thermodynamische oder bevorzugte

Bindung bezeichnet.

Ist der Parameter der bevorzugten Bindung (∂m3/∂m2)T,P,µ3 positiv, ist das Ko-Solvens

in der Sphäre des Proteins angereichert oder bevorzugt gebunden. Ist der Parameter

der bevorzugten Bindung negativ und der Parameter der bevorzugten Hydratation

(∂m1/∂m2)T,P,µ3 positiv, ist das Ko-Solvens in der Sphäre des Proteins relativ zur

umgebenden Lösung abgereichert oder bevorzugt verdrängt.

Nach der Scatchard-Notation, die in der Literatur für die Beschreibung der

Thermodynamik von Drei-Komponenten-Lösungen gebraucht wird, symbolisiert 1

Wasser als Solvens, 2 das Protein bzw. Enzym und 3 das Ko-Solvens [54,55]. Die

rechte Seite der Wyman-Gleichung zeigt, dass die Reaktion (hier die Denaturierung)

kontrolliert ist durch die Änderung der bevorzugten Bindung zwischen dem

_______________________________________________________________2. Grundlagen

34

reagierenden System (Protein) und dem Ko-Solvens. Die beiden Prozesse, das

Gleichgewicht N º D und die Bindung des Ko-Solvens, sind miteinander verknüpft

d.h. eine Störung des einen Prozesses wird notwendigerweise von einer Störung des

anderen begleitet [56]. Wenn ∆DN(∂m3/∂m2)T,P,µ3 größer als Null ist, verschiebt das

Ko-Solvens das Gleichgewicht N º D auf die rechte Seite und wirkt als Destabilisator.

Ist ∆DN(∂m3/∂m2)T,P,µ3 kleiner als Null, verschiebt das Ko-Solvens das Gleichgewicht

nach links und wirkt als Stabilisator:

N

PT

D

PTPT

DN

mPT

DN

mPTmm

mm

mmG

aK

33322 ,,2

3

,,2

3

,,2

3

,,3,,3lnln

µµµµ ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∆=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

(17)

Darin ist ∆DNG die Änderung der Standard Freien Energie der Reaktion N º D, µ ist

das chemische Potential der Komponente i, µi=µi+RTlnai, ai ist die Aktivität der

Komponente i, ai=miγi, γi ihr Aktivitätskoeffizient, T die thermodynamische

Temperatur. Diese Gleichung stellt die Verbindung her zwischen der Betrachtung der

monomolekularen Entfaltung eines Polypeptids im Hinblick auf eine günstige

Energetik charakterisiert durch eine negative Gibb´sche Freie Reaktionsenthalpie

∆DNG bei veränderlichen Konzentrationen des Ko-Solvens´ a3 und der Betrachtung

der nativen und der denaturierten Konformation separat im Hinblick auf die relative

Anzahl der auf der Oberfläche des Proteins befindlichen Wasser- bzw. Ko-Solvens-

Moleküle m1 und m3.

_______________________________________________________________

35

2. Grundlagen

Abbildung 5: Bein Wechsel zwischen nativer (N) und denaturierter Konformation (D) nimmt

die lösungsmittelzugängliche Oberfläche des Proteins zu. Sind die Wechselwirkungen des

Ko-Solvens mit dem Protein ungünstig und ist das Protein infolgedessen bevorzugt

hydratisiert ist (∂m3/∂m2)T,P,µ3 negativ sowohl für N als auch für D; stärker negativ aber für D.

∆DN(∂m3/∂m2)T,P,µ3 wird dann ebenfalls negativ. Das ist gleichbedeutend mit einer

Verkleinerung der Gleichgewichtskonstanten der Denaturierung K bei Erhöhung der Ko-

Solvens-Konzentration a3 d.h. mit einer Stabilisierung der nativen Konformation.

Während der Denaturierung verliert sich die Struktur des Proteins und die

Wechselwirkungen Protein/(Ko-)Solvens verändern sich. Verschiedene generelle

Typen können unterschieden werden:

Klasse A: Das Ko-Solvens ist aus der Sphäre des Proteins sowohl im nativen wie im

denaturierten Zustand vorzugsweise verdrängt. Der Mechanismus ist unspezifisch,

d.h. das Ko-Solvens ist vollständig indifferent gegenüber chemischen Charakteristika

der Proteinoberfläche. Weil im Zuge der Denaturierung die Protein/Solvens

Kontaktfläche anwächst, nehmen auch die ungünstigen Wechselwirkungen zu und

damit auch die Verdrängung. Die Wechselwirkung ist in jedem Falle ungünstig, für

den denaturierten wegen der größeren Kontaktfläche aber noch ungünstiger als für

den nativen. Die weiteren Klassen können als Varianten dieses allgemeinen Falles

betrachtet werden [56,57].

_______________________________________________________________2. Grundlagen

36

Klasse B: Das Ko-Solvens ist vom nativen Protein vorzugsweise verdrängt, vom

denaturierten Protein aber vorzugsweise gebunden. Das Gleichgewicht von Formel 1

wird auf die rechte Seite in Richtung Denaturierung verschoben. Dies wurde für die

Wechselwirkung einiger Proteine mit Polyethylenglykol (PEG) beobachtet [58-61].

Klasse C: Das Ko-Solvens (Harnstoff, Guanidiniumhydrochlorid) bindet nur schwach

oder überhaupt nicht an das native Protein aber intensiv an das denaturierte.

∆(∂m3/∂m2)T,P,µ3 ist hier positiv und die Denaturierung wird durch die günstige

Wechselwirkung des Ko-Solvens mit dem denaturierten Protein angetrieben [62].

Die ersten beiden Fälle sind in Abbildung 6 durch ein chemisches Potential-

Diagramm illustriert. Beide, Stabilisatoren und Destabilisatoren, erhöhen die Energie

des nativen Zustands gegenüber reinem Wasser als Referenz. Ein Stabilisator erhöht

gleichzeitig die Energie des denaturierten Zustands. Ist diese Erhöhung stärker als

die des nativen Zustands resultiert daraus eine Vergrößerung der Energiedifferenz

∆DNG zwischen den beiden Zuständen. Das ist gleichbedeutend mit einer

Stabilisierung der nativen Konformation.

Ein Destabilisator wie z.B. Guanidiniumhydrochlorid oder Harnstoff bindet an den

denaturierten Zustand und senkt damit dessen Energie. Dadurch wird die

Energiedifferenz zwischen der nativen und denaturierten Konformation gesenkt und

der native Zustand destabilisiert.

_______________________________________________________________

37

2. Grundlagen

Abbildung 6: Energieschema des

Effektes von Ko-Solventien auf die

Proteinstabilität. Ein Stabilisator

erhöht die Energiedifferenz

zwischen nativem Protein N und

denaturiertem Protein D, ein

Destabilisator senkt sie. Typische

Energien sind durch die Zahlen

angedeutet.

Dieser generelle Mechanismus macht deutlich, wie thermodynamisch ungünstige

Wechselwirkungen (Verdrängung bzw. Anhebung der Energie) zwischen einem

Protein und einem Ko-Solvens zu einer Stabilisierung des Proteins, genauer, der

Struktur des nativen Proteins, führen kann [63]. Plausibel wird das, wenn man

beachtet, dass die Wechselwirkungen, günstige wie eben auch ungünstige, mit der

lösungsmittelzugänglichen Oberfläche des Proteins zu- oder abnehmen. Die

Oberfläche der kompakteren nativen Konformation ist aber um 10-20% geringer als

die der denaturierten [64,65].

Tabelle 1: Übersicht über die Klassifizierung von Ko-Solventien im Hinblick auf ihre

protein(de)stabilisierende Wirkung.

Klasse (∂m3/∂m2)D

T,P,µ3 (∂m3/∂m2)N

T,P,µ3 ∆(∂m3/∂m2)T,P,µ3 Effekt Beispiel

A - - - Stabilisator Sucrose

B + - + Destabilisator PEG

C + +/- + Destabilisator GndHCl

D +/- + - Stabilisator (NaCl)

klassischer

Ligand

+/- ++ - Stabilisator Neuro-

transmitter

_______________________________________________________________2. Grundlagen

38

Auflösen des trockenen Proteins in Wasser führt notwendigerweise zur Besetzung

der Bindungsstellen der gesamten Oberfläche des Proteins mit Wassermolekülen

(Reaktion 1, Abbildung 7). Für eine einzelne Bindungsstelle ist damit eine Freie

Energie des Kontakts ∆G12 verbunden (Gleichung 19).

P + m H2O º P*(H2O)m (Reaktion 1)

( )[ ]

[ ] [ ]mm

OHPOHP

K2

21

⋅=

(18)

112 ln KRTG −=∆ (19)

Wird umgekehrt in einem hypothetischen Prozess das pure Ko-Solvens zu dem

trockenen Protein gegeben (Reaktion 2), wird pro Bindungsstelle die Energie ∆G32

frei.

P + KS ºP*KS (Reaktion 2)

[ ][ ] [ ]KSP

KSPK⋅⋅

=3

(20)

332 ln KRTG −=∆ (21)

Wird das Ko-Solvens zu einer Lösung des Proteins in Wasser gegeben und soll es zu

einer Bindung kommen, müssen zunächst die Wassermoleküle in Kontakt mit der

Bindungsstelle abgelöst werden unter Verlust der Wechselwirkungsenergie ∆G12.

Erst dann kann das Ko-Solvens mit der Energie ∆G32 (Reaktion 3) binden. Die

resultierende Gesamtenergie des Austauschs ist demnach:

exex KRTKKRTGGG lnln

1

31232 −=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−=∆−∆=∆

(22)

_______________________________________________________________

39

2. Grundlagen

Die gesamte Bindungsgleichgewicht kann folgenderweise dargestellt werden:

P•(H2O)n + KS º P•KS + n H2O (Reaktion 3)

Und die gemessene Bindungskonstante KB ist tatsächlich eine Austauschkonstante

Kex.

1

3

KK

Kex ≡

(23)

Ist die Affinität für den Liganden größer als für Wasser, wird im zeitlichen Mittel die

Stelle häufiger mit Ko-Solvens als mit Wasser besetzt sein. Das wird deutlich aus

Gleichung 24, die den Zusammenhang zwischen dem Interaktionsparameter und der

Bindung herstellt .

2233 ,,3

2

,,3

3

,,2

3

,,2

3

mPTmPTmPTPT mmmm

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

µµµµ

µ

(24)

Die Größe (∂µ2/∂m3)T,P,m2=(∂µ3/∂m2)T,P,m3 ist Ausdruck der wechselseitigen

Beeinflussung von Protein und Ko-Solvens und wird als Parameter der bevorzugten

Wechselwirkung bezeichnet.

Abbildung 7: Schematische

Darstellung der Wechselwirkungen

an der Oberfläche eines Proteins (2)

in einem gemischten Solvens.

Wassermoleküle (1) werden an der

Bindungsstelle durch Ko-Solvens-

Moleküle (3) ausgetauscht [24].

_______________________________________________________________2. Grundlagen

40

Der Nenner auf der rechten Seite ist der Selbst-Interaktionsparameter des Ko-

Solvens´[59]:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂+=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

3

3

3,,3

3 ln1

2mm

RTm

mPT

γµ

(25)

Der Selbstinteraktionsparameter (∂µ3/∂m3)T,P,m2 ist in der Regel positiv und nimmt mit

der Temperatur (leicht) ab. Deshalb haben der Parameter der bevorzugten

Wechselwirkung (∂µ2/∂m3)T,P,m2 und der Parameter der bevorzugten Bindung

(∂m3/∂m2)T,P,µ3 stets gegensätzliches Vorzeichen, d.h. Ko-Solvens, welches günstiger

mit dem Protein interagiert als Wasser, wird bevorzugt gebunden, andernfalls

bevorzugt verdrängt .

Abbildung 8: Selbstinteraktions-

Parameter SIP≡(∂µ3/∂m3)T,P,m2 von

PEG unterschiedlichen Molekular-

Gewichts [59].

Bevorzugte Verdrängung des Ko-Solvens ist gleichbedeutend mit bevorzugter

Hydratation der Bindungsstelle, d.h. (∂m1/∂m2)T,P,µ3>0. Den Zusammenhang

zwischen der Bindung des Ko-Solvens und der Hydratation gibt Gleichung 26. Ko-

_______________________________________________________________

41

2. Grundlagen

Solvens-Bindung und Hydratation sind komplementär. Der Austausch-Faktor ist

gegeben durch den Molenbruch von Haupt- und Ko-Solvens.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

3

2

3

1

,,2

3

3

1

,,2

1

33µµ

µµmm

mm

mm

mm

PTPT

(26)

Der Bindungsparameter (∂m3/∂m2)T,P,µ3 ist Resultat der Balance der

Wechselwirkungen des Proteins mit Ko-Solvens und mit Wasser. Der Parameter

kann in individuelle Beiträge Bi der Lösungsmittelbestandteile zerlegt werden:

11

33

,,2

3

3

Bmm

Bmm

PT

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

µ

(27)

B1 und B3 sind Zahlen in der Größenordnung von einigen hundert. Sie geben an, wie

viele Wasser- bzw. Ko-Solvens-Moleküle sich effektiv an Stellen auf der

Proteinoberfläche befinden.

Aus der Form dieser Gleichung ist ersichtlich, dass für den Fall, dass das Verhältnis

B3/B1 den Verhältnissen in der Lösung entspricht, also

1

3

1

3m

mB

B =,

(28)

die thermodynamische Bindung (∂m3/∂m2)T,P,µ3 gleich Null ist, obwohl Stellen auf der

Oberfläche des Proteins mit Ko-Solvens (B3) besetzt sind. Die thermodynamische

oder die bevorzugte Bindung ist also nicht gleichbedeutend mit der Anzahl von

Bindungsstellen, die mit Ko-Solvens besetzt sind, sondern beschreibt die Balance

zwischen der Besetzung mit Ko-Solvens und Wasser relativ zur Zusammensetzung

der Lösung im zeitlichen Mittel. Diese Balance kann positiv, negativ oder

ausgeglichen sein. Für schwach und sehr schwach wechselwirkende Ko-Solventien

sind die Affinitäten von Wasser und Ko-Solvens von derselben Größenordnung, d.h.

_______________________________________________________________2. Grundlagen

42

∆G12 ≈ ∆G32, und die Wechselwirkung mit Wasser muss explizit berücksichtigt

werden [64].

Die thermodynamische Beschreibung kann sich generell auf zwei unterschiedliche

experimentelle Verfahren stützen:

Einerseits kann der Energieunterschied des Wechsel von einem Medium in das

andere z.B. von purem Wasser in die Lösung des Ko-Solvens in Wasser für beide

Konformationen des Proteins separat gemessen werden. Dies ist die Freie Transfer-

Energie ∆µ2,TR. Geeignete Techniken hierfür sind die Gleichgewichtsdialyse, NMR,

ITC, und dynamische Lichtstreuung [66].

Andrerseits kann der Konformationswechsel von N nach D in verschiedenen Medien

untersucht werden. Die entsprechende Technik ist die DSC.

Überträgt man die Reaktion des Proteins aus Wasser in das Ko-Solvens, ändert sich

die Freie Reaktionsenergie ∆DNG:

)1()3( GGG D

NDN

DN ∆−∆=∆∆ (29)

Auch verändern sich die Wechselwirkungen der Lösungsmittelkomponenten mit dem

Protein im Zuge der Denaturierung. Die Freie Standard Transfer-Energie ∆µ2,Tr ist die

Änderung des chemischen Potentials des Proteins, wenn es aus Wasser in das Ko-

Solvens/Wasser System übertragen wird.

)1()3( 22,2 µµµ −=∆ Tr (30)

Weil der Effekt von Ko-Solventien relativ zu Wasser durch ∆∆µ2,Tr definiert ist, ist es

nötig, den Einfluss des Ko-Solvens´ auf beide Zustände der Reaktion N und D zu

kennen.

)()( ,2,2,2 ND TrTrTr µµµ ∆−∆=∆∆

(31)

_______________________________________________________________

43

2. Grundlagen

Der Zwei-Stufen-Prozess vom Ausgangszustand, natives Protein in Wasser (N1),

zum veränderten Zustand, denaturiertes Protein in Ko-Solvens-Lösung (D3), kann

auf zweierlei Wegen erfolgen:

Denaturierung in Wasser, gefolgt von Transfer in die Ko-Solvens-Lösung, oder

Transfer des nativen Proteins aus Wasser in die Ko-Solvens-Lösung, gefolgt von

dessen Denaturierung.

Abbildung 9: Thermodynamische Box für die ko-

solvens-abhängige Denaturierung: Die beiden

Pfade N1 nach D3 sind thermodynamisch

äquivalent [65]. Das Konzept der bevorzugten

Bindung wird erhärtet dadurch, dass die

thermodynamischen Boxen der bestuntersuchten

Proteine, die auf Messwerten unterschiedlicher

Methodik (z.B. DSC und NMR) basieren, im

Rahmen des Messfehlers geschlossen sind [58].

Für die (ko-)solvensabhängige Denaturierung gilt :

TrN

TRD

TRDN

DN GG ,2,2,213 µµµ ∆∆=∆−∆=∆−∆

(32)

Die Freie Transfer-Energie eines Proteins, das aus reinem Wasser in ein Ko-

Solvens/Wasser-Gemisch überführt wird, ist der Wert der Änderung der gesamten

Freien Energie der Proteinlösung, wenn der zunächst ausschließlich wässrigen

Lösung das Ko-Solvens hinzugefügt wird. Deshalb steht sie in Beziehung zur

Änderung der bevorzugten Wechselwirkung bei Zugabe von Ko-Solvens [59].

30 ,,3

2,2

3

2

dmm

m

mPTTR ∫ ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=∆µµ

(33)

Die Änderung der Freien Transfer-Energie ∆∆µ2,Tr kann durch Integration der

Wyman-Gleichung, Gleichung 17, erhalten werden:

_______________________________________________________________2. Grundlagen

44

30 ,,3

,2

3

2

ln dmm

KRTm

mPTTR ∫ ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂=∆∆µ

(34)

Diese Gleichungen zeigen, dass die Kenntnis der bevorzugten Wechselwirkung bei

einer einzelnen Konzentration des Ko-Solvens´ zur vollständigen Charakterisierung

des Einflusses des Ko-Solvens´ auf das Denaturierungsgleichgewicht nicht ausreicht.

Der Parameter der bevorzugten Wechselwirkung ist ein Maß für die Änderung von

∆µ2,Tr d.h. für die Änderung des thermodynamischen Zustands des Proteins, wenn

die Konzentration des Ko-Solvens um einen infinitesimalen Betrag verringert wird.

Deshalb ist es durchaus möglich, dass die beiden Parameter gegenläufiges

Verhalten zeigen und auch unterschiedlichen Vorzeichens sein können, auch wenn

das zunächst paradox erscheint [57].

Ist der Kontakt mit dem Protein thermodynamisch ungünstig, d.h. ist (∂µ2/∂m3)T,P,m2

positiv, wie bei einer Vielzahl von stabilisierenden „salting-out“ Ko-Solventien, wird

das Ko-Solvens aus der Hydratationssphäre von nativen globulären Proteinen

vorzugsweise verdrängt. Umgekehrt ist der Kontakt von Denaturierungsmitteln wie 6

M Guanidiniumhydrochlorid (GndHCl) oder 8 M Harnstoff mit dem denaturierten

Zustand des Proteins vorteilhaft und (∂µ2/∂m3)T,P,m2 ist negativ.

Die Änderung des Parameter der bevorzugten Bindung ∆(∂m3/∂m2)T,P,µ3 entscheidet

darüber, in welche Richtung ein Gleichgewicht durch ein Ko-Solvens verschoben

wird. Dieser Parameter ist bei schwach wechselwirkenden Systemen nicht

gleichzusetzen mit der Änderung der Belegung von Bindungsstellen. Die klassische

Bindungstheorie erweist sich bei schwach bindenden Ko-Solventien als nicht

vollständig. In der klassischen Bindungstheorie [68-70] wird Bindung als Besetzung

einer Bindungsstelle des Proteins, 2, mit Ko-Solvens, 3, unter Bildung eines

Komplexes 2*3 definiert.

_______________________________________________________________

45

2. Grundlagen

3232 ⋅↔+ (Reaktion 2)

Für dieses Gleichgewicht ist die Gleichgewichtskonstante wie folgt definiert:

32

233 aa

aK⋅

=

(35)

a23 ist die Konzentration von Bindungsstellen, die mit einem Ko-Solvens-Molekül

belegt sind, a2 die Konzentration freier Bindungsstellen und a3 die Ko-Solvens-

Konzentration.

Die Wahrscheinlichkeit θ, eine Stelle mit Ko-Solvens belegt zu finden, ist durch die

Standard Langmuir-Isotherme gegeben [71]:

33

33

1 aKaK⋅+

⋅=θ

(36)

Klassische biochemischen Liganden, z.B. Enzymsubstrate oder Inhibitoren, haben

Bindungskonstanten >100 M-1 und die Bindungsstelle ist auch in verdünnter Lösung

des Liganden nahezu vollständig und zeitüberdauernd besetzt. Hier sind Bindung

und Besetzung identisch, weil die Wahrscheinlichkeit einer rein statistischen

Besetzung vernachlässigbar ist. Die Bindungsenergie pro Bindungstelle ist dann [65]:

( )331ln aKRTGB ⋅+−=∆

(37a)

Für die Denaturierung, ergibt sich daraus, wenn man annimmt, dass alle ∆n im Zuge

der Reaktion neu präsentierten Bindungsstellen thermodynamisch gleichwertig sind:

( )331ln aKnRTGB ⋅+∆−=∆∆ (37b)

∆n wird häufig identifiziert mit der Steigung des Wyman-Plots (Gleichung 17).

_______________________________________________________________2. Grundlagen

46

Die Gleichungen der klassischen Bindungstheorie sind gültig für Spezialfälle von Ko-

Solventien, etwa für ihre Bindung an wenige unabhängige Bindungsstellen mittlerer

und starker Affinität. Sie vermögen, die Stabilisierung von Enzymen durch den

Einfluss stark-bindender Substrate, Modulatoren oder Inhibitoren zu beschreiben

[72]. Werden sie jedoch auf schwach wechselwirkende Ko-Solventien angewendet,

führen sie zu Inkonsistenzen und die Definition von Bindung selbst wird fragwürdig.

Ist ein Ko-Solvens-Molekül in einer Bindungsstelle gebunden oder nicht?

Thermodynamisch ist es nur dann gebunden, wenn die Belegung das Maß

übersteigt, welches aufgrund der Lösungsmittelzusammensetzung zu erwarten ist. In

der klassischen stöchiometrischen Bindungstheorie hingegen gilt ein Ko-Solvens-

Molekül, das sich nur an einer Bindungsstelle befindet, per Definition schon als

gebunden.

Die Theorie der bevorzugten Bindung trägt der Tatsache Rechnung, dass ein Ko-

Solvens-Molekül, will es mit dem Protein in Kontakt treten, Wassermoleküle

verdrängen muss. Den Ausgangspunkt bildet das folgende Austauschgleichgewicht:

132312 ⋅+⋅↔+⋅ mm (Reaktion 3)

2*1m ist das Protein im Komplex mit m Wassermolekülen.

Die Gleichgewichtskonstante für den Austausch eines Wassermoleküls gegen ein

Ko-Solvens-Molekül ist analog zu Gleichung 35:

321

123

1

3

aaaa

KK

Km

ex ⋅⋅

==

(39)

und

exex KRTG ln−=∆

(40)

_______________________________________________________________

47

2. Grundlagen

Die gesamte Freie Energie der Solvatisierung ∆GS des unsolvatisierten Proteins im

gemischten Medium ist [52,73]:

( )33111ln aKaKRTGS ++−=∆ (41)

ai ist die Aktivität der Komponente i (die Konzentrationen in K ausgedrückt in

Molenbrüchen). Der Vergleich mit Gleichung 37a zeigt, dass ein Term für die

Bindung von Wasser (K1a1) explizit enthalten ist. Im realen System befindet sich das

Protein zunächst in reinem Wasser und alle Bindungsstellen sind notwendigerweise

mit Wassermolekülen belegt. Die Änderung der Freien Energie aufgrund des Eintrags

von Ko-Solvens in die wässrige Lösung ∆GB erhält man durch Substraktion des

Terms für die Wechselwirkung des unsolvatisierten Proteinmoleküls mit Wasser von

Gleichung 41:

( )31ln aKaRTG ExB +−=∆ (42)

Die Schwierigkeit der klassischen Betrachtungsweise liegt in der Gleichsetzung von

∆GB in Gleichung 22 mit ∆G32 unter der Annahme, dass ∆G12=0 ist.

Den Zusammenhang zwischen dem Parameter der bevorzugten Bindung und der

Behandlung der Wechselwirkung mit Wasser und Ko-Solvens mit Hilfe der

Austauschkonstanten Kex hat Schellman im Jahre 1990 hergestellt [73]:

exEx

Ex

Ex

ExstproBind

PT KmK

mK

mmK

mm

θµ

⋅⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −

=+

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂ 1

3

31

..

,,2

3

1

1

1

3

(43)

Kex in molalen Aktivitäten. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Bindungsstelle mit Ko-

Solvens besetzt ist, ist gegeben durch:

3

3

1 mKmK

Ex

Exex +

(44)

_______________________________________________________________2. Grundlagen

48

Gleichung 44 hat die Form einer Langmuir-Isotherme (Gleichung 36). Die übliche

Bindungskonstante darin ist durch die Austauschkonstante Kex ersetzt.

Die Bindung biochemischer Ko-Solventien (klassische Liganden) ist normalerweise

stark (KL>104 M-1). Bei geringen Ligand-Konzentrationen, m3<10-4, und mit m1=55,56

wird der zweite Term von Gleichung 27 vernachlässigbar und

3,,2

3

3

Bmm

PT

≅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

µ

(45)

Bei der Solvenszusammensetzung, bei der die Belegung auf dem Protein dem

Konzentrationsverhältnis in der Lösung entspricht, ist die bevorzugte

(thermodynamische) Bindung gleich Null und das Protein infinitesimalen Änderungen

der Konzentration des Ko-Solvens gegenüber indifferent. (∂µ2/∂m3)T,P,m2 ist gleich

Null, obwohl die Belegung der Proteinoberfläche mit Ko-Solvens-Molekülen hoch ist

und die Gesamtheit der Wechselwirkungen zwischen Protein und Ko-Solvens durch

einen großen Beitrag an Freier Energie charakterisiert ist.

Das Protein ist vollständig indifferent gegenüber den Lösungsmittelkomponenten,

wenn für alle Konzentration des Ko-Solvens m3 Gleichheit der Belegung auf dem

Protein und der Solvenszusammensetzung herrscht:

11

33 Bm

mB =

(46)

Dann haben (∂m3/∂m2)T,P,µ3, (∂µ2/∂m3)T,P,m2 und ∆µ2,TR allesamt den Wert Null und die

Belegung erfolgt aus rein statistischen Gründen.

In der Regel ist der Ursprung der verschwindenden Bindung aber die Balance der

Wechselwirkungen des Proteins mit Wasser und Ko-Solvens bei einer bestimmten

Konzentration des Ko-Solvens m3 definiert durch Gleichung 22 und 27. In diesem

Punkt verschwinden sowohl (∂m3/∂m2)T,P,µ3 als auch (∂µ2/∂m3)T,P,m2. Die Freie

_______________________________________________________________

49

2. Grundlagen

Transfer-Energie ∆µ2,TR aber nimmt einen von Null verschiedenen Wert an. Einen

negativen, wenn es sich um ein günstig wechselwirkendes Ko-Solvens handelt, oder

einen positiven, wenn es sich um eine ungünstige Wechselwirkung handelt.

2.5.2 Stabilisierungsmechanismen

Aus dem vorherigen wird ersichtlich, dass die Verdrängung von Ko-Solventien aus

der Sphäre des Proteins bzw. die daraus resultierende bevorzugte Hydratation die

kompaktere native Konformation stabilisiert. Diese Verdrängung ist durch

Gleichgewichtsdialysemessungen, durch Messung der Löslichkeit sowie durch

Densiometrie für viele stabilisierende Ko-Solventien bzw. Osmolyten experimentell

bestätigt [74-76].

Warum aber werden bestimmte Ko-Solventien bevorzugt vom Protein verdrängt?

Die Untersuchung einer großen Zahl bevorzugt verdrängter Ko-Solventien hat zu

ihrer Klassifikation in zwei generelle Kategorien geführt: solche, deren Verdrängung

von Kräften herrührt, die vollständig unabhängig von der chemischen Beschaffenheit

der Proteinoberfläche sind, d.h. Protein und Ko-Solvens sind chemisch inert

füreinander. Und solchen, die spezielle chemische Charakteristika auf der

Proteinoberfläche erkennen. In der ersten sind hauptsächlich zwei Mechanismen zu

unterscheiden, sterischer Ausschluss und Anhebung der Freien Oberflächenenergie

des Wassers durch das Ko-Solvens (Oberflächenspannungseffekt) [77].

2.5.2.1 Sterischer Ausschluss

Sterischer Ausschluss als Ursache für Wasserüberschuss auf dem Protein in

gemischten Solventien (bevorzugte Hydratation) wurde erstmalig von Kauzman im

Jahre 1949 vorgeschlagen und wird heute als molecular crowding bezeichnet [78,79].

Der Effekt ist schematisch dargestellt in Abbildung 10. Sie zeigt ein Proteinmolekül

_______________________________________________________________2. Grundlagen

50

mit einem Radius RP in Kontakt mit einem Ko-Solvensmolekül mit Radius RKS, das

wesentlich größer als Wasser ist. Weil das Ko-Solvens inert gegenüber dem Protein

ist, können sie sich bis zu einem Abstand RP+RKS annähern. Weil das Ko-Solvens

aber wesentlich größer als Wasser ist, wird eine Schale um das Protein ausgebildet,

die zugänglich für Wasser, aber nicht für das Ko-Solvens ist. Der Nettoeffekt dieses

Ausschlusses (Verdrängung) von Ko-Solvens ist bevorzugte Hydratation [80].

Abbildung 10: Sterischer Ausschluss: Der Radius

RKS des Ko-Solvens ist wesentlich größer als der

Radius von Wassermolekülen (nicht gezeigt). Es

bildet sich um das Protein eine Schale mit einem

Volumen Vex, die ausschließlich für die kleineren

Wassermoleküle zugänglich ist. Das größerer Ko-

Solvens ist aus dieser Schale verdrängt. Die

Folge ist bevorzugte Hydratation [64].

In diesem einfachen Model wird das Ausschlussvolumen Vex mit dem Volumen der

bevorzugten Hydratation (∂g1/∂g2)T,P,µ3 ausgedrückt in Gramm Ko-Solvens pro

Gramm Protein identifiziert [60,65]:

3,,2

1

1

2

µρ PTex g

gMV ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

(47)

ρ1 ist die Dichte des Wassers.

Mit Gleichung 24 und 26 wird daraus:

23 ,,3

31

3

..

,,3

2

1000mPT

ex

Aussster

mPTm

Vmm ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⋅⋅⋅=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂ µρµ

(48)

Weil per Definition das Ausschlussvolumen einen Überschuss an Wasser enthält, ist

(∂g1/∂g2)T,P,µ3 und Vex positiv und deshalb ist, weil, s.o., der SIP positiv ist, auch der

_______________________________________________________________

51

2. Grundlagen

Parameter der bevorzugten Wechselwirkung positiv. Dieser Mechanismus wird der

bevorzugten Verdrängung von Polyethylen-Glykol (PEG) durch einige Proteine

zugrunde gelegt [58-61].

2.5.2.2 Oberflächenspannung

Der Ausschluss oder die Verdrängung aufgrund einer Vergrößerung der Freien

Oberflächenenergie des Wassers folgt direkt aus der Gibbs´schen Adsorptions-

Isotherme. Sie beschreibt die Konzentrationsänderung an einer Grenzfläche. An

einer Lösung/Protein Grenzschicht gilt [56,81,82]:

PTTaRT

asn

,3

3

3

33 ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−==Γσ

µσ

(49)

PT

spannOberfl

PT aRTsas

mm

,3

33

..

,,2

3

3

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

−=Γ⋅=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂ σ

µ

(50)

Γ3 ist die Oberflächenkonzentration des Ko-Solvens, s ist die molare Oberfläche des

Proteins und σ die Oberflächenspannung.

Offensichtlich wird die Grenzschicht an Ko-Solventien, welche die

Oberflächenspannung des Wassers erhöhen, verarmen. Die experimentelle

Beobachtung wird bevorzugte Verdrängung des Ko-Solvens sein.

_______________________________________________________________2. Grundlagen

52

Abbildung 11: Lösungsmittelzusammensetzung an einer Grenzfläche aufgrund der Veränderung der

Oberflächenspannung des Wasser σ durch ein Ko-Solvens. Wenn das Ko-Solvens die Oberflächen-

spannung erhöht, wird es in der Oberflächengrenzschicht verarmen. Die Oberfläche ist dann bevorzugt

hydratisiert. Wenn es die Oberflächenspannung senkt, wird es in der Oberflächenschicht

akkumulieren. a3 ist die Aktivität des Ko-Solvens´ [64].

Zucker, die meisten Aminosäuren und die meisten Salze, vor allem vom salting-out-

Typ, erhöhen die Oberflächenspannung des Wassers. Deshalb werden sie bevorzugt

verdrängt, sowohl von nativen globulären Proteinen als auch von denaturierten.

Offensichtlich ist dies die vorherrschende Quelle für bevorzugte Verdrängung durch

Hofmeistereffekte [83-86].

2.5.2.3 Solvophobie

Die zweite Kategorie, in der die Ko-Solvens Verdrängung mit chemischer Erkennung

spezieller Stellen eines Proteins verbunden ist, umfasst alle die Situationen, in der

die Affinität des Proteins für Wasser größer ist als für das Ko-Solvens oder in denen

das Ko-Solvens abgestoßen wird, z.B. durch Ladungen. Der herausstechendste Fall

solcher Art Verdrängung ist der Effekt der Solvophobie. Solvophobe Substanzen wie

Glycerol und Polyole wie Sorbitol und Mannitol beeinflussen die Wechselwirkungen

_______________________________________________________________

53

2. Grundlagen

zwischen Lösungsmittelmolekülen in solcher Weise, dass die Aktivität von Wasser an

nicht-polaren Regionen des Proteins über das Maß hinaus erhöht wird, das durch die

Effekte des Ko-Solvens auf das Ausschlussvolumen und die Oberflächenspannung

gegeben ist. Solche Ko-Solventien wandern von der Proteinoberfläche ab, um die

ungünstige positive Freie Energie zu reduzieren. Netto ergibt sich zusätzliche

bevorzugte Hydratation [64]. Der Hydrophobe Effekt ist eine der Grundlagen der

Proteinstabilität [44,87,88]. Er wird durch solvophobe Substanzen und Ionen reguliert

(Hofmeister-Effekt). Die Ionen können in Kosmotrope (Wasserstrukturbildner) und

Chaotrope (Wasserstrukturbrecher) eingeteilt werden [89,90]. NaCl gilt als mild

Kosmotrop. Die Beeinflussung der Wasserstruktur durch Ionen betrifft vor allem zwei

Eigenschaften: die Viskosität und die Entropie der Solvatation der Ionen [91]. Die

Abhängigkeit der Viskosität η von der Salzkonzentration c wird durch die Jones-Dole

Gleichung beschrieben:

...1 21

0+++= BcAcη

η

(51)

η0 ist die Viskosität reinen Wassers, A eine Konstante, die das Debye Screening

beschreibt. Die Konstante B, die als Jones-Dole Koeffizient bekannt ist, beschreibt

den Einfluss auf die Wasserstruktur. B ist positiv für Kosmotrope und negativ für

Chaotrope. Weiter haben Kosmotrope einen negativen Hydratationsanteil der

Solvatationsentropie, d.h. sie ordnen die benachbarten Wassermoleküle, während für

Chaotrope diese Entropie positiv ist.

Hofmeister hatte die Löslichkeiten von Proteinen in Lösungen unterschiedlicher Salze

untersucht und sie in einer Reihe angeordnet entsprechend ihrem Vermögen die

Löslichkeit zu erhöhen oder zu erniedrigen [83]. Dies wurde schon früh interpretiert

als Modulation des hydrophoben Effekts, werden doch auch die Löslichkeiten von

einfachen Kohlenwasserstoffen wie z.B. Benzol auf ähnliche Weise durch

Salzzugabe verändert. Der Effekt korreliert mit der Ladungsdichte der Ionen: kleine

_______________________________________________________________2. Grundlagen

54

Ionen neigen zum Einsalzen, zur Erhöhung der Löslichkeit nicht-polarer

Verbindungen, während große zum Aussalzen, also zu Herabsetzung der Löslichkeit

nicht-polarer Verbindungen tendieren. Allerdings ist die Korrelation mit der

Ladungsdichte nicht vollkommen: obwohl Lithium kleiner als Natrium ist, hat es einen

kleineren Hofmeister-Effekt. Der Hofmeister-Effekt ist direkt proportional zur

Salzkonzentration c3 und wird durch die Setschenow-Gleichung beschrieben.

( ) 332123ln ckcc −=∞∞

(52)

c∞21 und c∞

23 sind die Löslichkeiten des Proteins in Wasser und Salzlösung, c3 die

molare Konzentration des Salzes (Ko-Solvens) und k3 der Setschenow-Koeffizient

des Ko-Solvens (Salz). Der experimentelle Befund, dass kleine starke Aussalz-Ionen

generell aus der ersten Hydratationssphäre einer nicht-polaren gelösten Substanz

verdrängt sind, wird mittlerweile auch durch Simulationen der Verhältnisse in der

Lösung gestützt [92,93]. Man könnte sagen, ein Wassermolekül „bindet“ an ein

kleines Ion stärker als an benachbarte Wassermoleküle, während Wassermoleküle in

Nachbarschaft eines großen chaotropen Ions beweglicher sind als bulk Wasser.

Der Ursprung des chaotropen Effektes, d.h. der über die Änderung der

Wasserstruktur vermittelte Änderung der Löslichkeit, der Aggregatstabilität sowie der

Destabilisierung der nativen Struktur von Proteinen ist weiter Gegenstand der

Forschung [89].

2.5.2.4 Kompensation von Ladungen auf der Proteinoberfläche

Intrinsisch wird die dreidimensionale Struktur eines Proteins neben der extrinsischen

Stabilisierung durch die hydrophobe Wechselwirkung, den Effekt des

Ausschlussvolumens und durch den Oberflächenspannungseffekt durch eine Vielzahl

nicht-kovalenter Wechselwirkungen, wie Wasserstoff-Brückenbindungen, van der

_______________________________________________________________

55

2. Grundlagen

Waals-Wechselwirkungen und elektrostatischen Wechselwirkungen stabilisiert [94].

Ein wichtiger Faktor ist die ionische Zusammensetzung der Aminosäuren. Bei den

meisten Proteinen sind die Ladungen auf der Oberfläche des Proteins angeordnet.

Und zwar so, dass mehr attraktive als abstoßende Wechselwirkungen ausgebildet

werden. Die vorherrschenden Methoden, um Oberflächenladungen zu kompensieren

sind Mutagenese, chemische Modifizierung von Aminosäuren und spezifische und

nicht-spezifische Ionen-Bindung [95,96].

GOx ist ein saures Protein. Das Enzym ist bei physiologischem pH-Wert vorwiegend

negativ geladen. Das Verhältnis von sauren zu basischen Aminosäuren beträgt 3,4.

Bei einem pH-Wert von 7 trägt das Enzymmolekül eine Ladung von –77e, zumeist

hervorgerufen von deprotonierten Carboxylat-Gruppen [97]. Diese hohe

Ladungsdichte führt zu abstoßenden Wechselwirkungen auf der Oberfläche, die das

Enzym in einer eher geöffneten Variante der nativen Konformation halten.

Anlagerung monovalenter Kationen kann zu einer partiellen Kompensation der sich

abstoßenden negativen Ladungen in einer dichteren Variante der nativen

Konformation führen. Dadurch können chemische Eigenschaften verändert sein. Die

kompaktere kationen-stabilisierte Variante der nativen GOx ist z.B. gegen

proteolytischen Abbau weniger anfällig als die nicht kationen-stabilisierte

Konformation. Die dichtere Konformation zeigt sich in der DSC als stabiler gegenüber

thermischem Denaturieren. 2 M NaCl führt zu einer Tm-Verschiebung von 67°C nach

74°C. Kalium stabilisiert stärker als Natrium, während Lithium kaum stabilisierend

wirkt, die stabilisierende Wirkung geht auch hier parallel mit der Hofmeister Serie der

Kationen: Cs+>K+>Na+>Li+>Mg2+>Ca2+>Ba2+ [98].

Diese beiden Arbeiten argumentieren nicht mit den Begriffen der bevorzugten

Wechselwirkung sondern sprechen explizit von Ionen-„Bindung“ und Ionen-

„Bindungsstellen“. Timasheff berücksichtigte Ionen-Bindung in seinem Konzept der

bevorzugten Wechselwirkung als Modifikation [64].

_______________________________________________________________2. Grundlagen

56

In Abbildung 12 ist das Verhältnis zwischen Freier Transfer Energie ∆µ2,tr und dem

Parameter der bevorzugten Wechselwirkung (∂µ2/∂m3)T,P,m2 als Funktion der Ko-

Solvens-Konzentration gezeigt. Im Fall 1 (oben) bleibt der Parameter der

bevorzugten Wechselwirkung über einen größeren Temperaturbereich positiv und

konstant. Deswegen steigt die Freie Transfer Energie mit konstanter Rate monoton

an. Im Fall 2 (unten) nimmt der Parameter der bevorzugten Wechselwirkung

kontinuierlich ab, von hohen positiven Werten bei niedriger Ko-Solvens-

Konzentration zu negativen Werten bei hoher Ko-Solvens-Konzentration

Abbildung 12: Zum Verhältnis zwischen Freier

Transferenergie ∆µ2,tr und dem Parameter der

bevorzugten Wechselwirkung (∂µ2/∂m3)T,P,m2 als

Funktion der Ko-Solvens-Konzentration m3 [65].

Die Freie Transfer-Energie ist bei allen Konzentrationen positiv. Sie hat ein Maximum

bei der Konzentration, bei der (∂µ2/∂m3)T,P,m2 zu Null wird, und nimmt danach stetig

ab, bleibt aber positiv d.h. thermodynamisch ungünstig gegenüber Wasser. Im

oberen Teil der Abbildung 12 repräsentieren die durchgezogenen Linien das Protein

in Lösung und die gestrichelten Linien das Protein im Niederschlag. Das Verhalten

der thermodynamischen Funktionen bei niedrigen Ko-Solvens-Konzentrationen stellt

_______________________________________________________________

57

2. Grundlagen

die salting-in-Region des Ko-Solvens bei niedriger Konzentration dar. Bei höheren

Ko-Solvens-Konzentrationen wurde im Fall 2 dem salting-out extensive Ionen-

Bindung überlagert und eine weniger ausgeprägte Ionen-Bindung im Fall 1. Laut

Timasheff sieht so das Bindungsmuster eines jeglichen schwachbindenden Ko-

Solvens´ aus [64,65].

2.6 Funktionsstabilität

Die meisten biochemischen Reaktionen würden ohne Enzyme nur mit

vernachlässigbarer Geschwindigkeit ablaufen. Die katalytische Wirksamkeit eines

Enzyms beruht einzig auf seiner Fähigkeit, die Aktivierungsenergie einer chemischen

Reaktion zu senken. Dies kann geschehen durch Stabilisierung des

Übergangszustands, durch Orientierung und Annäherung der Substrate, durch

Allgemeine Säure-Basen-Katalyse, durch kovalente Katalyse mithilfe von Ko-

Faktoren oder durch Metallionen-Katalyse.

Die Reaktionsgeschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion hängt neben den

Reaktionsbedingungen wie Temperatur, Salzkonzentration und pH der Lösung von

den Konzentrationen des Enzyms, der Substrate und Produkte sowie von Effektoren

(Aktivatoren, Inhibitoren und Ko-Solventien) ab. Die Enzymaktivität gibt an wie viel

aktives Enzym sich in einer Enzympräparatiion befindet. Die Einheit der

Enzymaktivität ist das Unit (U) und ist definiert als diejenige Enzymmenge, die ein

Mikromol Substrat (etwa 180 µg Glukose) pro Minute umsetzt. Werden Enzyme in der

Bioanalytik oder in Bioreaktoren eingesetzt, ist die Stabilität der enzymatischen

Aktivität ein bedeutsames Qualitätsmerkmal. Häufig verläuft die Deaktivierung der

enzymatischen Funktion nach einem Exponentialgesetz (s. Kapitel 3.1.8), das die

Halbwertszeit der katalytischen Aktivität τ1/2 bestimmt.

Die Halbwertszeit der enzymatischen Aktivität τ1/2 ist eine intensive Größe, die nicht

abhängig ist von der in Hydrogelen schwer zu bestimmenden Gesamt-

_______________________________________________________________2. Grundlagen

58

Enzymkonzentration [E]t und dient hier neben der Denaturierungstemperatur Tm als

zweiter Parameter der Enzymstabilität.

Die Untersuchung eines möglichen Zusammenhangs zwischen der Halbwertszeit der

enzymatischen Aktivität τ1/2 und der Denaturierungstemperatur Tm kann von großem

praktischen Nutzen sein, weil die Bestimmung der kinetischer Parameter

experimentell aufwendig ist, zumal bei Vorliegen von Einflüssen durch Diffusion,

Quellung und Inaktivierung durch nicht umgesetztes Monomer. Der Zeitverbrauch ist

hoch und die Reproduzierbarkeit nur schwer herstellbar, vor allem wenn zwischen

den Messungen längere Zeitspannen liegen.

2.7 Diffusionswiderstand und Thiele Modulus

Das Verhalten von Enzymen, die in einer Hydrogelmatrix eingebettet sind, kann sich

vom Verhalten desselben Enzyms in verdünnter wässriger Lösung unterscheiden.

Die Änderungen können die kinetischen Parameter Km und kcat, die pH- und

Temperatur-Aktivitätsprofile, sowie die Stabilität gegenüber denaturierenden Ko-

Solventien oder erhöhter Temperatur betreffen. Die Änderungen des Verhaltens

heterogener Enzyme kann zwei Hauptursachen zugeschrieben werden. Die erste

betrifft Änderungen im Enzymmolekül selbst und seiner unmittelbaren Nachbarschaft.

Diese führen zu Konformationsänderungen und/oder Einschränkungen in der

Erreichbarkeit der reaktiven bzw. allosterischen Zentren. Ebenfalls in diese Kategorie

fallen direkte Kontakte zwischen funktionellen Gruppen der Hydrogelmatrix und dem

Enzymmolekül. Der zweite Grund rührt aus der heterogenen Natur der

Mikroumgebung des Enzyms her, in der sich die Konzentrationen an Substraten,

Produkten und Effektoren deutlich von denen in der umgebenden Lösung, in der der

Reaktionsverlauf verfolgt wird, unterscheiden können.

Findet eine enzymatische Reaktion in einer gut gerührten homogenen Lösung statt,

sind die Konzentrationen aller Reaktionspartner uniform. In der Mikroumgebung in

_______________________________________________________________

59

2. Grundlagen

unmittelbarer Nähe des Enzymmoleküls sind die Konzentrationen der

Reaktionspartner verschieden von denjenigen in der umgebenden Lösung, die als

Makroumgebung bezeichnet wird.

Die Untersuchung der Kinetik von in Hydrogelen eingeschlossenen Enzymen erfolgt

durch Messung der Reaktionsprodukte in der flüssigen Phase, die mit dem Hydrogel

in Kontakt steht. Während die Aktivität des Enzyms durch die Konzentrationen in der

Mikroumgebung, dem Hydrogel, bestimmt wird, sind experimentell zugänglich nur die

Änderungen in der die Makroumgebung. Hydrophobe und elektrostatische

Wechselwirkungen zwischen dem das Hydrogel bildenden Polymer und den

Substraten, Produkten und eventuell vorhandenen Ko-Solventien führen zu einer

ungleichen Verteilung dieser Substanzen zwischen Mikro- und Makroumgebung.

Dies wird als Partitionseffekt bezeichnet.

Abbildung 13: Schematische

Darstellung eines Hydrogels mit

eingebetteten Enzymmolekülen.

Jedes Enzymmolekül befindet

sich in seiner Mikroumgebung,

die von Partitionseffekten und

durch Diffusionswiderstände

charakterisiert ist.

Ist ein Enzymmolekül in einem Hydrogel eingeschlossen, diffundiert das Substrat aus

der Umgebungslösung zu den aktiven Zentren des Enzyms, und das Produkt

diffundiert zurück in die Umgebungslösung. Daran ist sowohl molekulare wie auch

konvektive Diffusion beteiligt. Die niedrigen Diffusionsgeschwindigkeiten der

Substrate/Produkte in wässriger Lösung und in Gelen sowie die hohe katalytische

Aktivität der Enzyme führt häufig zu signifikanten Diffusionswiderständen.

_______________________________________________________________2. Grundlagen

60

Es bilden sich Konzentrationsgradienten in der Umgebung des Enzymmoleküls aus,

sodass sich die Konzentrationen in der Mikro- bzw. Makroumgebung unterscheiden.

In Abbildung 14 sind mögliche Konzentrationsprofile für das Substrat und das

Produkt in einem Hydrogelfaden im Querschnitt gezeigt. Partition dieser Spezies

zwischen dem Hydrogel und der flüssigen Phase augrund von elektrostatischen und

hydrophoben Wechselwirkungen führt zu einem Konzentrationssprung an der

Grenzfläche zwischen Hydrogel und Lösung. Auf der anderen Seite führen die

Diffusionswiderstände zu Konzentrationsgradienten in der Lösung und im Inneren

des Hydrogels.

Abbildung 14: Konzentrationsprofile (nicht

maßstabgetreu) des Substrates und des

Produktes innerhalb und außerhalb eines

enzymbeladenen Hydrogelfadens. Oben:

die Spezies verteilen sich aufgrund von

Partitionseffekten. Die Reaktion bleibt

kinetisch kontrolliert. Mitte: es existieren

Diffusionswiderstände für beide Spezies

ohne Partitionseffekte. Unten: es treten

sowohl Partition als auch Diffusions-

widerstände auf [99].

Das kinetische Verhalten eines Enzyms ist charakterisiert durch seine intrinsischen

kinetischen Parameter. Diese können jedoch aus Messungen in der Makroumgebung

direkt nur ermittelt werden, wenn gesichert ist, dass die Konzentrationen aller die

Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussenden Spezies (Substrate, Produkte, Ko-

Solventien) in der Mikroumgebung des Enzyms die gleichen sind wie in der

Makroumgebung, was normalerweise nicht der Fall ist.

_______________________________________________________________

61

2. Grundlagen

Die inhärente Reaktionsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, die sich ohne

Diffusionswiderstände ergäbe, d.h. wenn der Transport der Substrate und Produkte

zwischen der enzymatischen Mikroumgebung und der Makroumgebung unendlich

schnell wäre. Experimentell zugänglich sind die inhärenten kinetischen Parameter mit

sehr dünnen Membranen, geringer enzymatischer Aktivität (geringe

Enzymkonzentration) und ausreichendem Rühren der Umgebungslösung. v´max in

Gleichung 55 ist die inhärente Geschwindigkeit des Hydrogelkatalysators bei

Substratsättigung. Unterschiede zwischen den inhärenten und intrinsischen

kinetischen Parametern rühren von der Partition der Reaktionspartner zwischen

Mikro- und Makroumgebung her.

Abbildung 15: Zum Unterschied zwischen intrinsischer, inhärenter und effektiver

Reaktionsgeschwindigkeit [99].

Die effektive Reaktionsgeschwindigkeit wird beobachtet, wenn Diffusionswiderstände

in Anwesenheit oder Abwesenheit von Partitionseffekten auftreten. Nur die effektiven

kinetischen Parameter sind aus der Gesamtreaktionsgeschwindigkeit, die über

_______________________________________________________________2. Grundlagen

62

Konzentrationsänderungen in der Makroumgebung gemessen werden kann,

extrahierbar. Aufgrund der langsamen Diffusionsgeschwindigkeit biochemischer

Substanzen in wässriger Lösung und besonders in Hydrogelen und der hohen

Katalyserate von Enzymen, treten in heterogenen Enzymkatalysatoren regelmäßig

signifikante Diffusionswiderstände auf. Im Allgemeinen gilt die Michaelis-Menten

Kinetik nicht, wenn Diffusionswiderstände ein Rolle spielen.

Das Modell zur semi-quantitativen Beschreibung des Wechselspiels zwischen

Reaktion und interner Diffusion in heterogenen Enzymkatalysatoren bildete meist

eine Membran mit uniform darin verteiltem Enzym, für das Michaelis-Menten

kinetisches Verhalten angenommen wurde. Es wurde gezeigt, dass die

grundlegenden Zusammenhänge nicht von der genauen Geometrie (sphärische

Partikel, Scheibchen, Fäden oder Membranen) abhängen. Es ist lediglich die

Kenntnis einer das System beschreibenden charakteristischen Länge nötig, etwa die

Membrandicke oder der Fadendurchmesser [100].

Die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit heterogen katalysierter Reaktionen zeigt zwei

limitierende Fälle. Bei hinreichend niedriger Enzymaktivität sind die Konzentrationen

der Substrate und Produkte im Inneren des Katalysators im wesentlichen die

gleichen wie in der umgebenden Lösung. Unter diesen Umständen ist die Reaktion

kinetisch kontrolliert und unbeeinflusst von Transporteigenschaften. Bei hinreichend

hoher Enzymaktivität werden alle Substratmoleküle schon an der Oberfläche des

heterogenen Katalysators umgesetzt, noch bevor sie ins Innere diffundieren können.

In diesem Fall ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur abhängig von der Diffusion des

Substrats in der Umgebungslösung. In der Regel beeinflusst aber die interne

Diffusion die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion. Wie aus Abbildung 14

und 16 (s.u.) ersichtlich, nimmt die Substratkonzentration von der Umgebungslösung

zum Inneren des Katalysators hin ab. Der relative Einfluss von internen und externer

_______________________________________________________________

63

2. Grundlagen

Diffusion kann durch die Massenerhaltung an der Grenzfläche zwischen Lösung und

Katalysator abgeschätzt werden:

i

effS

eS dX

dSDdxdSD ⎟

⎞⎜⎝

⎛−=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

(53)

Die Ableitungen drücken die Konzentrationsgradienten des Substrats S an der

Grenzfläche nach der Seite der Umgebungslösung hin, (dS/dx)e, und nach dem

Inneren des Katalysators, (dS/dX)i aus. DSeff ist das effektive Diffusionsvermögen des

Substrates innerhalb des biomimetischen Gewebes, das ausgedrückt werden kann

durch das Diffusionsvermögen in der Lösung:

τε Seff

SD

D⋅

=

(54)

ε ist der Leeranteil eines porösen Katalysators und entspricht in Hydrogelen dem

Gehalt an Wasser, das die Diffusion vermittelt. Der Faktor τ ist ein Maß ist für die

Gewundenheit der Hohlräume (der Porengeometrie) und ist meist größer als 1 ist. Er

ist definiert als Verhältnis der Wegstrecke, die ein Molekül bei der Passage durch

einen Film zurückzulegen hat, und der Filmdicke. Weil das Diffusionsvermögen im

Inneren des Hydrogels kleiner ist als in der umgebenden Lösung, muss der Gradient

dort größer sein, damit die Gleichung 53 erfüllt ist. Deshalb ist für größere

Schichtdicken die Verarmung an Substrat im Inneren des Hydrogel-Katalysators

bedeutsamer als in der Außenlösung. Werden die Hydrogelfäden in der Außenlösung

hinreichend bewegt, ist die Oberflächenkonzentration praktisch gleich der

Lösungskonzentration. Unter diesen Umständen ist die enzymatische Reaktion nur

von internen Diffusionswiderständen beeinflusst. Im Fließgleichgewicht kann die

Abnahme der Substratkonzentration von der Oberfläche zum Inneren der

Hydrogelmembran durch folgende Differentialgleichung beschrieben werden:

_______________________________________________________________2. Grundlagen

64

SKSv

dxSdD

m

effS ⋅

⋅=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ max2

2

(55)

vmax ist die inhärente Sättigungsgeschwindigkeit pro Katalysatorvolumen und x die

Distanz zur Oberfläche des Hydrogelfadens. Einfacher kann Gleichung 55 in

dimensionsloser Form geschrieben werden:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

βφβ1

22

2

dzd

(56)

β=S/KM ist die auf KM normierte dimensionslose Konzentration des Substrates

innerhalb des Hydrogelfadens, z ist die Position in der Membran, z=x/l, l die Dicke der

Membran und φ der Modulus für die interne Diffusion (Thiele-Modulus):

( ) 21

maxeffSM DK

Vl⋅

⋅=ϕ

(57)

l ist die Schichtdicke der Hydrogelmembran, KM die Michaelis-Menten Konstante der

GOx für Glukose, vmax die inhärente Sättigungsgeschwindigkeit ohne

Diffusionswiderstände und DeffS der effektive Diffusionskoeffizient des Substrates

(Glukose) im Hydrogel.

Numerische Integration mit den Randbedingungen β=β0, für z=0 und dβ/dz=0 für z=1

ergibt das Profil der Substratkonzentration im Inneren des Hydrogels. Im Abbildung

16 ist das für βe=1 und verschiedene Werte für den Thiele-Modulus φ gezeigt:

_______________________________________________________________

65

2. Grundlagen

Abbildung 16: Profil der

Substratkonzentration im Inneren

eines heterogenen Katalysators β

mit βe=1 für verschiedene Werte

des Thiele-Modulus´ ϕ [99].

Abbildung 16 verdeutlicht, dass der Thiele-Modulus ein geeignetes Maß für den

Einfluss interner Diffusionswiderstände ist. Steigende Werte des Modulus

korrespondieren mit größeren Konzentrationsgradienten innerhalb des Hydrogels

d.h. steigender Substratverarmung im Vergleich mit der Konzentration in der

Außenlösung.

Abbildung 17 zeigt die auf die Sättigungsgeschwindigkeit normierte effektive

Reaktionsgeschwindigkeit des Gel-Katalysators v/vmax in Abhängigkeit von der

externen Substratkonzentration βe mit dem Thiele-Modulus φ als zusätzlichem

Parameter. Für Werte von φ≤1 ist die Reaktion kinetisch kontrolliert, für höhere Werte

von φ ist die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund von interner Substratverarmung

niedriger.

Dieser normierte Plot (Auschnitt für βe<5) diente als Hintergrund für die Abschätzung

des Thiele-Modulus´ für enzymbeladene Hydrogelfäden von 60µm Durchmesser (s.

Kapitel 4.1.3).

_______________________________________________________________2. Grundlagen

66

Abbildung 17: Auf die

Sättigungsgeschwindigkeit normierte

inhärente Reaktionsgeschwindigkeit

v/vmax eines enzymbeladenen

Hydrogels in Abhängigkeit von der

externen auf Km normierten

Substratkonzentration βe [99].

2.8 Einfluss von Aggregation und Reversibilität auf die

Langlebigkeit von Enzym-Präparationen

Die thermische Reversibilität der Denaturierung ist neben der

Denaturierungstemperatur Tm ein wichtiger Faktor zur Beschreibung der

Langzeitstabilität wässriger Proteinpräparationen. Die Aggregation denaturierter

Proteinmoleküle ist eine der Ursachen irreversibler Inaktivierung und ist mit der

thermischen Reversibilität negativ korreliert [101]. Viele wässrige Proteinlösungen

zeigen keine oder nur sehr geringe Reversibilität. Im DSC Experiment zeigt sich das

darin, dass der Denaturierungspeak bei einer wiederholten Aufheizung der Probe

wesentlich weniger ausgeprägt ist oder ganz ausbleibt. Die irreversible Aggregation

stellt eine Nebenreaktion des Gleichgewichts zwischen der nativen und der

denaturierten Form des Protein dar. Tm allein ist in solchen Fällen kein ausreichendes

Stabilitätskriterium. Der rekombinante humane Flt3 Ligand zum Beispiel erreicht bei

pH 6 ein Tm-Plateau. Weitere Erhöhung des pH -Wertes verändert Tm kaum noch. Die

Neigung zur irreversiblen Aggregation nimmt hingegen von pH 6 bis pH 9 noch weiter

_______________________________________________________________

67

2. Grundlagen

zu und die Langzeitstabilität der Bioaktivität entsprechend ab. Im gleichen pH-

Bereich nimmt die thermische Reversibilität entsprechend ab [102].

Polyole wie Sorbitol oder Xylitol unterstützen die Aufrechterhaltung der

enzymatischen Aktivität des Modelenzyms Lysozym während der Inkubation bei

60°C und diese Eigenschaft von Polyolen, die enzymatische Aktivität zu

konservieren, korreliert mit der Eigenschaft, die Schmelztemperatur des Enzyms zu

erhöhen [28/9]. Hier, wie allgemein, gilt: weil die N-Konformation stabilisiert ist, ist die

Denaturierung weniger irreversibel, weil die Aggregation denaturierter Moleküle

stärker irreversibel ist als die Aggregation nativer Proteinmoleküle. Daraus ist die

Konsequenz gezogen worden und es wurde demonstriert, dass in einer Lösung eines

Denaturierungsmittels in milden Konzentrationen (z.B. 1 M GndHCl) unter

Inkaufnahme einer damit induzierten Senkung der Denaturierungstemperatur um ca.

10°C die biologische Aktivität von Lysozym als Modelenzym nach Inkubation bei

60°C für 24 h zu annähernd 100 % erhalten blieb, wenn die Lösung zusätzlich Polyol-

Stabilisatoren in hohen Konzentrationen (z.B. 2 M Sorbitol oder 1 M Trehalose)

enthielt. Das Denaturierungsmittel hat dabei die Aufgabe, die irreversible Aggregation

zu verhindern [103].

Natürlich auftretende Poly-Amine wie Spermidin (NH2(CH2)3NH(CH2)4NH2) können

sehr effektiv die Aggregatbildung verhindern und die thermische Reversibilität

deutlich erhöhen. Lysozym in Lösung mit einer Konzentration von 0, 2 mg/ml Protein

zeigt in Anwesenheit von100 mM Spermidin noch 50% Bioaktivität nach einer

thermischen Behandlung von 30 min bei 98°C, während die Kontrolle nach dieser

Behandlung nur noch zu 1% biologisch aktiv ist. Bei einer Konzentration von 1 mg/ml

ist der Prozentsatz aktiven Enzyms nach 30 min bei 98°C ohne Spermidin-Zusatz

20%, der der Probe mit Spermidin 90% [104].

Glycerol ist ein Proteinstabilisator und hilft die irreversible Aggregation zu verhindern.

Meng et al. zeigten für das Enzym Kreatin-Kinase, dass die Verschiebung der Tm hin

_______________________________________________________________2. Grundlagen

68

zu höheren Temperaturen und die Verlängerung der Halbwertszeit der biologischen

Aktivität einen annähernd linearen Zusammenhang haben [105].

Wird die irreversible Aggregation dadurch verhindert, dass intermolekulare Kontakte

der Proteinmoleküle durch chemische Bindung mit einem festen Träger verringert

werden, kann die Reversibilität erhöht werden, wenn die Bindung an einer einzigen

Stelle des Proteinmoleküls, etwa am C-Terminus, erfolgt. So voneinander getrennte

Moleküle bilden thermodynamisch geschlossene Systeme und die Denaturierung ist

nahezu vollständig reversibel [106].

2.9 Die Tm als Maß für die Langlebigkeit von Enzym-

Präparationen

Die Analyse der thermodynamischen Stabilität einer größeren Anzahl von Proteinen

lässt einen Trend sichtbar werden: Proteine, die bei höherer Temperatur

denaturieren, tendieren dazu, eine größere Stabilität bei der Temperatur maximaler

Stabilität T´ zu besitzen [107]. Die Temperatur der maximalen Stabilität T´ für die von

Rees et al. analysierten globulären wasserlöslichen Proteine ist in erster Näherung

unabhängig von der Denaturierungstemperatur Tm und liegt bei ca. 283 K. Diese

Tendenzen legen nahe, dass im Allgemeinen die Erhöhung der thermodynamischen

Stabilität durch Anhebung der Stabilitätskurve erreicht wird (Abbildung 18).

Einige Mikroorganismen, sogenannte Thermophile, haben ihr Wachstumsoptimum

bei nahezu 100°C. Die Proteine dieser Organismen haben eine deutlich höhere

Temperaturstabilität als ihre mesophilen Verwandten. Sie bieten daher eine

Möglichkeit zur Untersuchung des physiko-chemischen Ursprungs der Stabilität von

Proteinen im Allgemeinen [108]. Häufig beruht die erhöhte Stabilität auf Mutationen in

einigen wenigen oder gar nur einer einzelnen Aminosäure, wie von Perl et al. am

Beispiel R3E Bc-Csp, einem mutierten cold shock Protein aus dem Thermophilen B.

caldolyticus, gezeigt wurde (Abbildung 19) [109].

_______________________________________________________________

69

2. Grundlagen

Abbildung 18: Die thermodynamische Stabilität

eines Proteins (a) kann formal durch Anhebung

der Stabilitätskurve (b), durch Verschieben der

Stabilitätskurve (c) oder durch Weitung der

Stabilitätskurve (d) erhöht werden [107].

Dieses Protein, bei dem die Aminosäure 3, Arginin (R), durch Glutamat (E)

ausgetauscht wurde, ist genauso stabil wie sein mesophiles Pendant, mit dem es zu

80 % sequenzhomolog ist. Das unmutierte thermophile Protein Bc-Csp ist etwa 2

kcal/mol bei 20°C und etwa 4 kcal/mol bei 70 °C stabiler als sein mesophiles

Homolog. Die reverse Mutation des mesophilen Proteins ergibt eine ungefähr gleich

stark stabilisierte Variante. Dies wird erklärt durch Ausbildung einer einzigen

zusätzlichen Salzbrücke. Als Salzbrücke werden die attraktiven Wechselwirkungen

zwischen unterschiedlich geladenen Ionen im Abstand von weniger als o,5 nm

bezeichnet. Die Ausbildung einer einzelnen Salzbrücke führt nach dem

Coulomb´schen Gesetz zu einer Stabilisierung von 1 kcal/mol. Im thermophilen

stabilisierten Protein ist die positiv geladene Aminosäure 3, Arginin, dicht benachbart

der Aminosäure 46, Glutamat, und der C-terminalen Aminosäure 66, Leucin. In der

R3E-Mutation fehlt diese günstige Salzbrücke und deshalb ist die Stabilität erniedrigt.

Dies wird unterstützt durch die Tatsache, dass der Stabilitätsunterschied in 2 M NaCl

aufgrund von Debye-Hückel-Screening wesentlich geringer ist. Der Vergleich vieler

thermophiler und mesophiler Proteine zeigt, dass der Evolutionsdruck eher auf der

Vermeidung von ungünstigen Wechselwirkungen liegt und nicht auf der

Hervorbringung von günstigen. Eine weitere Eigentümlichkeit thermophiler Proteine

_______________________________________________________________2. Grundlagen

70

ist eine im Vergleich zu mesophilen Homologen reduzierte Wärmekapazitätsdifferenz

im Zuge der Denaturierung, ∆DNC [111].

Abbildung 19: Freie Energie der

Denaturierung des cold shock Proteins

Bs-Csp aus dem Mesophilen B. subtilis,

des cold shock Proteins Bc-Csp aus

dem Thermophilen B. caldolyticus und

dem mutierten R3E Bc-Csp als

Funktion der Temperatur, berechnet mit

der Gibbs-Helmholtz-Gleichung. Die

obere Kurve ist die Stabilitätskurve des

Enzyms Bc-Csp. Die R3E-Mutante

dieses Enzyms R3E Bc-Csp zeigt eine

erniedrigte Stabilitätskurve (untere

durchgezogene Linie) und ihre Stabilität

ist vergleichbar mit dem mesophilen

homologen Enzym Bs-Csp (gestrichelte

Linie) [110].

Theoretisch könnte eine Verringerung der Wärmekapazitätsdifferenz allein schon zu

einer Verschiebung der Denaturierungstemperatur nach höheren Temperaturen

führen, ohne die Stabilität bei Raumtemperatur zu verändern. Die Übersicht, die Zhou

über eine Reihe thermophiler Proteine und ihrer mesophilen Homologen gibt, deutet

jedoch darauf hin, dass zwar in den thermophilen Proteinen die

Wärmekapazitätsdifferenz der Denaturierung kleiner als in den mesophilen

Homologen ist, die maximale thermodynamische Stabilität ∆G(T´) bei den

thermophilen aber gleichzeitig erhöht ist.

Robertson und Murphy haben gezeigt, dass die Enthalpie, die Entropie und die

Wärmekapazitätsdifferenz zwischen nativem und denaturiertem Protein in erster

Näherung proportional zur Größe des Proteins ist, charakterisiert etwa durch die

_______________________________________________________________

71

2. Grundlagen

Anzahl der Aminosäuren N. Ihr Datensatz von kleinen globulären Proteinen führte sie

zu folgender Parametrisierung [112]:

∆DNC ≅ 0,058 N kJ/molAA/K

∆DNH(333 K) ≅ 2,92 N kJ/molAA

∆DNS(333 K) ≅ 0,0088 N kJ/molAA/K

Mit diesen Parametern werden die experimentellen Werte für ∆DNC, ∆D

NH(333 K) und

∆DNS (333 K) ihres Datensatzes mit Korrelationsfaktoren von 0,86, 0,77 bzw. 0,74

reproduziert. Untersuchungen jüngeren Datums geben ähnliche Parametrisierungen

[113].

Die Stabilitätskurve eines Proteins (Gibbs-Helmholtz-Gleichung und Abbildung 2)

lässt sich als quadratische Funktion der Temperatur annähern [114]. Damit lässt sich

die Freie Energie bei der Temperatur maximaler Stabilität T´ angeben als:

( ) ( )p

DNm

DND

N CTH

TG∆⋅

∆≅′∆

2

2

(58)

und die Temperatur maximaler Stabilität T´:

KCH

TTp

DN

DN

m 283≅∆∆

−≅′

(59)

_______________________________________________________________2. Grundlagen

72

Abbildung 20: Zusammenhang zwischen der Tm und ∆G(T´): Kreuze: Datensatz von Robertson und

Murphy. Dreiecke: Hyperthermophile, Sterne: Mutationen von T4-Lysozym. Die durchgezogene Linie

ist die Parametrisierung nach Gleichung 60 [112].

Wie sind die Stabilitätskurve und die Verschiebung der Denaturierungstemperatur Tm

miteinander gekoppelt? Werden die Parameter von Robertson und Murphy in

Gleichung 58 eingesetzt, erhält man einen empirischen Zusammenhang zwischen

der Freien Energie der Denaturierung bei der Temperatur maximaler Stabilität

∆NDG(T´) und der Denaturierungstemperatur [107]:

][)6,282(0290,0)( 2 molkJTT

NTG mm

DN −−=′∆

(60)

Dieser Zusammenhang ist in genereller Übereinstimmung mit experimentellen Daten

[107-114] sowohl für ein und dasselbe Protein in unterschiedlichen Medien als auch

für unterschiedliche Proteine.

_______________________________________________________________

73

2. Grundlagen

Das generelle Verhalten der Stabilitätskurven von Proteinen legt nahe, dass eine

Erhöhung der Tm eines Proteins einhergeht mit einer Zunahme der Freien Energie

bei maximaler Stabilität ∆G(T´). Und weiter, dass die Temperatur maximaler Stabilität

T´ annähernd konstant bei 283 K liegt. Diese Beobachtungen sind in einem weiteren

Zusammenhang zusammengefasst worden [107]:

( ) ( )( )

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−−

−−+=∆

molkJ

TTTTN

TTT

TNNTG

mm

m

mm

DN

ln1058,0

333058,092,2

(61)

Gleichung 61 ermöglicht die näherungsweise Berechnung der temperaturabhängigen

thermodynamischen Stabilität (Stabilitätskurve) mit Hilfe nur zweier Parameter: der

Denaturierungstemperatur Tm und der Anzahl der Aminosäuren N.

An dieser Stelle stellt sich die Frage, ob ein empirischer Zusammenhang zwischen

∆G(T´) und τ½ hergestellt werden kann. Weil die Analyse einer größeren Zahl

unterschiedlicher Proteine gezeigt hat, dass T´ in erster Näherung für alle Proteine

bei ca. 283K liegt, bietet sich ∆G(T´) als allgemeines Maß der Stabilität eines

Proteins an. Gleichzeitig zeigen die Daten, dass im Allgemeinen Stabilisierung unter

Anhebung der Stabilitätskurve erfolgt. Aus der Kombination dieser beiden Tendenzen

folgt, dass die Stabilität bei T´ direkt aus der Tm bestimmt werden kann (Gleichung

60) und dass darüber hinaus zur Konstruktion der vollständigen Stabilitätskurve die

Bestimmung der Tm ausreicht (Gleichung 61). Nimmt man weiter an, dass die

Halbwertszeit τ½ bei jedweder Temperatur ebenfalls ein universelles Maß für die

Stabilität bei anderen Temperaturen darstellt, kann man versuchen, τ ½ und ∆G(T´)

parallel zu führen. Dies wäre sicher unzulässig, wenn Stabilisierung unter

Verschiebung der Stabilitätskurve erfolgte, da dann Erhöhung der Stabilität bei hohen

Temperaturen mit einer Verringerung der Stabilisierung bei niedrigen Temperaturen

_______________________________________________________________2. Grundlagen

74

einherginge. Hat man sich aber einmal von der Anhebung der Stabilitätskurve als

dominierendem Kennzeichen der Stabilisierung überzeugt, kann versucht werden,

durch einfache mathematische Operationen die Halbwertszeiten so in Werte von

∆G(T´) umzuwandeln, dass sie sich in das allgemeine Bild einfügen.

Einen solchen Versuch der Parallelführung der Halbwertszeit τ½ und der

Denaturierungstemperatur Tm stellt Gleichung 62 dar:

( ) [ ]molkJCFNTG 602

160 +⋅=′∆ τ

(62)

Die Kombination von Gleichung 60 und 62 liefert:

[ ]min)6,282(0290,0160

2

6021 ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−−= CT

TF mm

τ

(63)

Die Evaluierung dieses ad-hoc-Zusammenhangs für das Enzym GOx erforderte die

Messung der Halbwertszeit der biologischen Aktivität bei 60°C sowie die Bestimmung

ihrer Denaturierungstemperatur in unterschiedlichen Medien.

3. Materialien und Methoden

3.1 Bestimmung der enzymatischen Aktivität

Neben den Parametern der thermodynamischen Stabilität, die aus DSC-Messungen

gewonnen werden können, kann das Enzym GOx durch die Stabilität der kinetischen

Eigenschaften charakterisiert werden.

GOx (Glukoseoxidase, EC 1.1.3.4) ist ein homo-dimeres Flavo-Protein (Mr

(Dimer)160000), das 1 mol FAD pro Untereinheit enthält. Das dimere Enzym besteht

aus 1208 Aminosäuren (N=1208) [115,116]. Es katalysiert die Oxidation von β-D-

Glukose zu δ-Glukonolakton, das anschließend spontan zu Glukonsäure hydrolysiert,

verbunden mit der Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasserstoffperoxyd.

GOx arbeitet nach einem ping-pong Mechanismus [117,118] .

___________________________________________________

75

3. Materialien und Methoden

1. Teilschritt

tonGlukonolacEGlukoseE redox +↔+ (Reaktion 4a)

2. Teilschritt

2220 OHEE oxred +↔+

(Reaktion 4b)

Für die reduktive Halbreaktion wurden zwei Mechanismen vorgeschlagen. Nach

ersterem findet ein Hydridtransfer vom C-1 des Substrats zum N-5 des Flavins statt.

Gemäß dem alternativen Mechanismus findet zunächst eine nucleophile Addition der

–OH Gruppe des C-1 des Zuckers an der C-4a Position des Flavins gefolgt von einer

Protonenabstraktion von C-1 des Zuckers statt. Beiden Mechanismen ist gemeinsam,

dass sie unter allgemeiner Basenkatalyse stehen. Im aktiven Zentrum des Enzyms

findet sich oberhalb des Isoalloxazin-Rings in weniger als 0,4 nm Entfernung ein

potentieller Protonen-Akzeptor (Nε von His516). Als Resultat der reduktiven

Halbreaktion wurden zwei Elektronen und zwei Protonen zum Enzym transferiert,

vorzugsweise am Ort des reduzierten Flavins (2 Elektronen und 1 Proton) und am

protonierten Histidin 516 (1 Proton). In der oxidativen Halbreaktion werden die

Elektronen und Protonen auf molekularen Sauerstoff übertragen unter Bildung von

Wasserstoffperoxyd.

3.1.1 Reaktionsgeschwindigkeit und Unit Definition

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion v´ kann definiert werden als der

Stoffumsatz pro Zeiteinheit ∆N/∆t:

v´=∆N/∆t [µmols-1] (64a)

___________________________________________________

76

3. Materialien und Methoden

Ein Unit U ist diejenige Enzymmenge, die ein µmol Substrat pro Minute umsetzt.

Häufig ist es aber sinnvoll die Reaktionsgeschwindigkeit als Konzentrationsänderung

in der Zeit zu definieren. Dann ist ihre Dimension z.B. mMs-1 und wird mit v

symbolisiert.

v=v´/V=∆N/(∆t*V) [mMs-1] (64b)

V ist das Volumen des Reaktionsansatzes. Die Reaktionsgeschwindigkeit v in mMs-1

stimmt numerisch mit der mit 60 multiplizierten Anzahl der Units überein.

v=∆N/(∆t*V)[mMs-1]

für V=1 ml (Testvolumen) gilt:

1 mMs-1≙1 µmols-1=60 U

(64c)

Die Sättigungsgeschwindigkeit vmax einer enzymatisch katalysierten Reaktion ergibt

sich aus der Enzymeinwaage und dessen Verdünnung. Die katalytische Konstante

kcat (Wechselzahl (s-1) gibt an, mit welcher Frequenz die Reaktion am Enzym abläuft.

3.1.2 Photometrie

Die Bestimmung der funktionellen Aktivität des Enzyms Glukoseoxydase als

Katalysator der Glukoseoxidation kann mithilfe eines photometrischen Aktivitätstest

erfolgen. Das bei der enzymatischen Reaktion als Nebenprodukt gebildete

Wasserstoffperoxyd reagiert mit dem Chromogen ABTS (2,2´-Azino-bis-8-

ethylbenzthiazolin-6-sulfonsäure) unter Mitwirkung des Enzyms Peroxydase (EC

1.11.1.6) zu einem Farbstoff (ABTS+), dessen Absorption im Photometer bei 420 nm

gemessen wird.

D-Glukose + O2 → 2-Keto-D-Glukose + H2O2 (Reaktion 5a)

___________________________________________________

77

3. Materialien und Methoden

2 ABTS + H2O2 + 2 H+ → 2 ABTS+ + 2 H2O (Reaktion 5b)

Die Intensität eines monochromatischen Lichtstrahls I0 wird beim Durchtritt durch ein

absorbierendes Medium der Dicke d und der Konzentration c des absorbierenden

Moleküls exponentiell geschwächt:

kdceII −⋅= 0 (65)

Die Größe

0

logIIA −=

(66)

wird Extinktion, A, genannt. Das Lambert-Beersche Gesetz,

dcA m ⋅∆⋅=∆ ε (67)

stellt einen linearen Zusammenhang zwischen der Änderung der Extinktion und der

Änderung der Konzentration des absorbierenden Stoffes her. εm ist der molekulare

Absorptionskoeffizient des Farbstoffes.

Zur Messung der Enzymaktivität wurde die Änderung der Extinktion der

enzymhaltigen Probenlösung in der Zeit ∆A/∆t bestimmt. Daraus wurde die

entsprechende Teilchenzahländerung des Farbstoffs in der Zeit ∆N/∆t errechnet

(Gleichung 68).

[ ]1−

∆⋅⋅⋅∆

=∆

⋅∆=

∆∆ mols

tdVA

tVc

tN

m

µε

(68)

Der millimolare Extinktionskoeffizient εm ist numerisch gleich der Extinktion einer 1

millimolaren Lösung bei d=1 cm Lichtweg. Für ABTS+ gilt [119]:

___________________________________________________

78

3. Materialien und Methoden

[ ]117,34)( −−+ = cmmolmlABTSm µε

Weil H2O2 zwei Moleküle ABTS oxidiert, muss hier noch ein Faktor ½ eingeführt

werden:

[ ]1

2−

∆⋅⋅⋅⋅∆

=∆∆ mols

tdVA

tN

m

µε

(69)

Die auf das Testvolumen V = 1 ml bezogene Reaktionsgeschwindigkeit v ist gegeben

durch:

[ ]1

2−

∆⋅⋅⋅∆

=⋅∆

∆= mMs

tdA

VtNv

(70)

v ist eine Konzentrationsänderung in der Zeit. Für die Abschätzung des Thiele-

Modulus wurde diese Größe verwendet, weil die Einheit der KM darin auch die

Konzentration (mM) ist.

Die zeitliche Entwicklung der Absorption ∆A/∆t der enzymhaltigen Testansätze nach

Zugabe des Substrates (Glukose) wurde im Spektrophotometer gemessen. Die

Enzympräparate wurden vor der Messung unterschiedlich lange bei 60°C inkubiert

(jeweils drei Proben). Zur Berechnung der Aktivität nach Gleichung 68 wurde die

Änderung der Extinktion im Intervall zwischen der ersten und zweiten Minute

herangezogen. Die Enzymmenge wurde mit ca. 5 mU/ml so gewählt, dass die

Änderung der Absorption wenigstens 5 min linear blieb (initial-state) und die

Extinktion in der Messzeit den Wert 2 (99% Absorption) nicht überstieg. Eine zu hohe

Enzymkonzentration führt zu Substratverarmung innerhalb der Küvette und äußert

sich in einer Abflachung der Absorptionszunahme, während bei zu geringer

Konzentration der Messfehler (Pipettierfehler, Inhomogenitäten, etc.) zu groß wird.

___________________________________________________

79

3. Materialien und Methoden

3.1.3 Michaelis-Menten Kinetik

Die kinetischen Eigenschaften eines (Enzym-)Katalysators werden durch seine

kinetischen Konstanten Km und vmax bzw. kcat beschrieben; die Abhängigkeit der

Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration durch die Michaelis-

Menten-Gleichung:

[ ][ ]SKSvv

M +⋅

= max

(71)

Diejenige Substratkonzentration, bei der eine Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird,

die gerade halb so groß ist wie ihr theoretischer Maximalwert vmax bei

Substratsättigung, wird als Michaelis-Menten-Konstante KM bezeichnet. Je höher KM

ist, desto höher muss die Substratkonzentration sein, damit die Reaktion (bei

gegebener Enzymkonzentration) mit halb-maximaler Geschwindigkeit abläuft. Bei

hohen Substratkonzentrationen ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der

enzymkatalysierten Reaktion derjenige Schritt, in dem sich der Enzym-Substrat-

Komplex in den Enzym-Produkt-Komplex umwandelt. Weil vmax die Geschwindigkeit

bei unendlich großer Substratkonzentration ist, ist sie die Geschwindigkeit dieses

(geschwindigkeitsbestimmenden) Schritts. Damit ist sie ein direktes Maß für die

Fähigkeit eines Enzyms, ein gebundenes Substrat in das Produkt zu überführen.

3.1.4 Direct-Plot

KM und vmax kann durch Messung der Enzymaktivität bei unterschiedlichen Substrat-

Konzentrationen bestimmt werden. Die Analyse der Messwerte erfolgt nach einer

linearisierten Form der Michaelis-Menten Gleichung [120]:

[ ] mKSvvv ⋅+=max (72)

___________________________________________________

80

3. Materialien und Methoden

Die kinetischen Konstanten werden dabei als Variable aufgefasst. Für alle

Einzelmessungen wird –[S] auf der x-Achse und v auf der y-Achse aufgetragen und

eine Gerade durch die Punkte –[S]/0 und 0/v gezogen. Die x-Komponente des

Schnittpunkts der Kurvenschar liefert Km, die y-Komponente vMax.

Abbildung 21: Zur Ermittlung der kinetischen Konstanten Km und vMax mit Hilfe des direct plot

(Gleichung 72).

3.1.5 Nicht-lineare Kurvenanpassung

Alternativ wurden die Daten aus den Aktivitätsmessungen durch nichtlineare

Kurvenanpassung mithilfe des Programms Origin (MicroCal™) ausgewertet. Dazu

wurden die gemessenen Reaktionsgeschwindigkeiten gegen die

Substratkonzentration aufgetragen und KM und vmax durch Anpassung der Werte an

die Funktion

___________________________________________________

81

3. Materialien und Methoden

xKxvy

M +⋅= max

(73)

bestimmt.

Abbildung 22: Zur Ermittlung der kinetischen Parameter Km und vMax durch nichtlineare

Kurvenanpassung an die Messwerte der Reaktionsgeschwindigkeit der Peroxyd-Bildung in

Abhängigkeit von der Konzentration des Substrates der enzymatischen Reaktion Glukose.

Die Literaturwerte für Km des aus Aspergillus niger isolierten Enzyms Glukoseoxidase

variieren zwischen 22 mM und 37 mM [121]. Ein Literaturwert für kcat ≡vMax/[E]T ist 337

s-1 [122].

Glukoseoxidase (GOx) wurde von Biozyme Laboratories bezogen und ohne weitere

Reinigung eingesetzt. Die Herstellerangabe über die spezifische Aktivität des

Enzympräparats waren 342 U/mg Protein bzw. 270 U/mg Material. Dieser Wert

impliziert eine Wechselzahl kcat von 720 s-1. Die Angabe über den Katalase-Anteil war

___________________________________________________

82

3. Materialien und Methoden

<0,05% und über das GOx/Katalase-Verhältnis >25000. Die gemessenen

spezifischen Aktivitäten unter Standardbedingungen (25°C , pH 7) waren mit ca. 140

U/mg bzw. kcat von 370 s-1 etwa um die Hälfte niedriger als die Angaben des

Herstellers in guter Übereinstimmung mit dem Literaturwert [122].

Die Bestimmung der enzymatischen Aktivität erfolgte in 1 ml Küvetten in einem

Spektro-Photometer (Perkin-Elmer Lambda).

Der Testansatz hatte folgende Zusammensetzung:

780 µl 100 mM KH2PO4–Puffer,

pH 7,0 mit 2,56 mM

ABTS

100 µl Glukose 1 bis 500 mM

10 µl Peroxidase (1 mg/ml)

10 µl GOx (Verdünnung s.

Tab.: 2)

1000 µl Testansatz

Chemische Charakteristika der Immobilisierungsmatrix nehmen Einfluss auf die

Stabilität der Funktion des Enzyms [123]. Als Modellsystem wurden Gele bestehend

aus Poly-Acrylamid und Wasser verwendet, die mit Bis-Acrylamid vernetzt waren und

durch das Initiatorsystem APS (Ammoniumperoxodisulfat)/Temed

(Tetramethylethylendiamin) zur Polymerisation gebracht worden waren. Den

Hydrogelen waren außerdem unterschiedliche Mengen an Ko-Solventien (NaCl,

PEG, Dextran, etc.) beigesetzt.

___________________________________________________

83

3. Materialien und Methoden

3.1.6 µ-Gele

Um Diffusionseffekte und den Materialverbrauch so gering wie möglich zu halten,

wurden Gele mit 60 µm Durchmesser in Mikrokapillaren von 10 oder 20 µl Volumen

hergestellt. Die Herstellung der µ-Gele in Kapillaren erwies sich auch deshalb als

günstig, weil der Sauerstoffzutritt während der Polymerisation stark herabgesetzt ist

und die Arbeiten deshalb in normaler Laboratmosphäre durchgeführt werden konnten

(evt. nach vorherigem Entgasen der verwendeten Lösungen). Nach 10-15 min war

die Polymerisation abgeschlossen und die Gele blieben bis zur Verwendung in den

an den Enden versiegelten Kapillaren im Kühlschrank bei 4°C.

Gel-Zusammensetzung :

48 µl 100 mM KH2PO4-Puffer, pH 7,0

10 µl GOx 1 mg/ml in 100 mM KH2PO4-

Puffer, pH 7,0

40 µl Acrylamid Stammlösung; 40%

(w/w) Acrylamid, 2,4% Bis-

Acrylamid

1 µl Ammoniumperoxodisulfat (APS)

5% (w/w)

1 µl Temed 6,6% (v/v)

100 µl Gel

3.1.7 Enzymkonzentration

Die Konzentration der Stammlösung des Enzyms betrug 1 mg/ml (≈130 U/ml).

Für Messungen in Lösung wurde die Stammlösung im Küvettenansatz auf 1:25000

(ca. 5 mU/ml) verdünnt. In den Gelen war die eingesetzte Enzymmenge mit

Rücksicht auf eine scheinbar verringerte Aktivität aufgrund von Diffusionslimitierung

10-fach höher (ca. 50 mU/ml).

___________________________________________________

84

3. Materialien und Methoden

3.1.8 Thermische Deaktivierung der Enzymfunktion

Temperaturerhöhung führt in enzymatisch katalysierten Reaktionen zu zwei

gegenläufigen Effekten: 1. Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, aufgrund der

Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität. 2. Abnahme der Stabilität des Enzyms

im Hinblick auf thermische Denaturierung. Die Deaktivierungsenergie kann durch

Messung der verbliebenen Aktivität nach Inkubation für verschiedene Zeiten bei

verschiedenen Temperaturen errechnet werden [125,125].

Tabelle 2: Verwendete Enzymkonzentrationen

Stamm in 1 ml

Testansatz

in 10 µl Hydrogel

(pro 1 ml Testansatz)l

m2 [gL-1] 1 40*10-6 40*10-3 (0,4*10-3)

m2 [M] 6,25

*10-6

0,25*10-9 250 * 10-9 (2,5*10-9)

Verdünnung 1:1 1:25000 1:25 (1:2500)

Aktivität [Uml-1] 130 0,005 5 (0,05)

vmax [mMs-1] 2,2 83*10-6 0,083 (830*10-6)

Ist die Geschwindigkeit der Enzymdeaktivierung vd erster Ordnung in Bezug auf die

Enzymkonzentration, gilt:

Ekv dd ⋅−=

(74)

Die Deaktivierungskonstante kd ist eine Funktion der Temperatur. Ihre

Temperaturabhängigkeit wird durch die Gleichung von Arrhenius beschrieben:

___________________________________________________

85

3. Materialien und Methoden

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅−

⋅= TRE

dd

d

ekk 0

(75)

Ed ist die Deaktivierungsenergie, R ie Gaskonstante und T die absolute Temperatur.

Die Abnahme der Konzentration aktiven Enzyms kann also folgenderweise

beschrieben werden:

EkdtdE d ⋅−=

(76)

Integration dieser Gleichung mit der Randbedingung E=0 für t=0 liefert:

tk deEE ⋅−⋅= 0

(77)

mit E0 als Anfangsenzymkonzentration. Weil die enzymatische Aktivität A direkt

proportional zur Konzentration aktiven Enzyms E ist, gilt außerdem:

00 EEAA = (78)

und damit

tk

rdeAA ⋅−⋅= 0 (79)

Dieses Ergebnis ist bekannt als Modell exponentiell abnehmender Enzymaktivität.

Auftragen der verbleibenden Aktivität als Funktion der Zeit liefert die

Deaktivierungskonstante kd. Aus der Arrhenius-Gleichung folgt, und das wird

experimentell bestätigt, dass die Deaktivierungskonstante mit steigender Temperatur

zunimmt. Auftragen von log(kd) gegen die reziproke absolute Temperatur liefert die

Deaktivierungsenergie Ed [126].

Ein weiterer wichtiger Parameter hinsichtlich der Enzymstabilität ist die Halbwertszeit

τ1/2 der enzymatischen Aktivität. Sie gibt an, wie lang die Zeitperiode ist, bis die

enzymatische Aktivität auf die Hälfte der ursprünglichen Aktivität abgesunken ist.

___________________________________________________

86

3. Materialien und Methoden

( ) dd kk 693,05,0ln

21 =−=τ

(80)

Die Deaktivierungsenergie Ed für die meisten Enzyme liegt zwischen 200 und 400

kJ/mol [127].

3.1.9 Stress-Aktivitätstest/Halbwertszeit

Als alternatives Maß für die (thermische) Stabilität des Enzyms wurde neben der

Denaturierungstemperatur Tm die Halbwertszeit der enzymatischen Aktivität τ1/2 bei

60°C gewählt. Zu deren Bestimmung wurden enzymbeladene Hydrogele in

Kapillaren in einem Wasserbad unterschiedlich lange bei 60 °C inkubiert und danach

bei 4°C verwahrt. Vor der Messung bei 25°C wurden die Kapillaren 10 min bei 25°C

temperiert. Um das Ausdiffundieren des Enzyms aus dem Gel zu vermeiden, wurde

auf eine Equilibrierung der Quellung vor der Messung verzichtet, und die

Hydrogelfäden aus der Kapillare in die Küvette mit der Testlösung gepresst und

sofort mit der Messung begonnen. Um die Ausbildung von Konzentrationsgradienten

an der Oberfläche der Hydrogelfäden zu vermeiden, wurde der Testansatz manuell

geschwenkt, und die Änderung der Adsorption erfolgte deshalb diskontinuierlich

[128].

___________________________________________________

87

3. Materialien und Methoden

3.2 Dynamische Differenzialkalorimetrie

3.2.1 DTA, Differenzthermoanalyse

Diese älteste Messanordnung der Thermoanalytik wurde 1887 durch LeChatelier und

Roberts-Austin (1889) erfunden. Dabei werden Probe und Referenzsubstanz einem

gemeinsamen Temperaturprogramm unterworfen. Die Temperaturdifferenz zwischen

Probe und Referenz wird durch zwei gegeneinander geschaltete in die Probe bzw. in

die Referenz eintauchende Thermoelemente gemessen. Erfolgt in der Probe eine

endotherme Reaktion, wodurch die Probentemperatur im Vergleich zur

Referenztemperatur nachhinkt, wird eine entsprechende Temperaturdifferenz

gemessen. Analog tritt eine umgekehrte Temperaturdifferenz bei exothermen

Effekten auf. Diese klassische DTA-Anordnung erlaubt das Erkennen thermischer

Effekte, nicht aber die quantitative Bestimmung des Wärmeumsatzes, da der

Wärmestrom vom Wärmewiderstand der Probe abhängig ist, sodass Peakflächen

nicht proportional dem Wärmeumsatz sind. Boersma ebnete durch Einbau eines

definierten Wärmewiderstandes den Weg zur Wärmestrom-DSC [129].

3.2.2 DSC, Dynamische Differenzkalorimetrie

Bei der DSC, nach DIN1005 Dynamische Differenzkalorimetrie (DDK) genannt, wird

der Wärmestrom zur Probe gemessen. Der Wärmestrom, eigentlich eine

Wärmeleistung, hat im SI System die Einheit Watt bzw. Milliwatt. Durch Integration

des Wärmestroms über die Zeit erhält man den Wärmeumsatz oder die

Enthalpieänderung einer Probe in mJ. DSC-Messungen werden meistens mit einem

dynamischen Temperaturprogramm durchgeführt, mit dem ein interessierender

Temperaturbereich überstrichen wird. Daneben sind aber auch Messungen bei

konstanter Temperatur (isotherm) üblich. Die Hauptanwendungen der DSC liegen in

___________________________________________________

88

3. Materialien und Methoden

der Bestimmung der spezifischen Wärme, thermischer Effekte, der Reinheit, der

Polymorphie, der Glasumwandlung, der Oxidationsstabilität, der Wärmetönung

chemischer Reaktionen, der Reaktionskinetik, des Schmelzverhaltens und der

Kristallisation. Hochempfindliche DSC wird derzeit immer stärker auch in den Life

Sciences eingesetzt zur Bestimmung der Denaturierung von Proteinen,

Nukleinsäuren und Phospholipidmembranen, sowie zur Untersuchung von

Biopolymer/Biopolymer-, bzw. Biopolymer/Ligand-Wechselwirkungen

Damit einer Fläche unter der DSC-Kurve einem Wärmeumsatz entspricht, muss die

Kurve gegen die Zeit aufgetragen werden (Wärmemenge=Wärmestrom mal Zeit). Um

aber bei dynamischen Messungen auch die Temperaturinformation anzugeben, wird

üblicherweise eine zeitproportionale Temperatur auf der Abszisse angegeben. Es

kann sich dabei allerdings nicht um die Probentemperatur handeln, da diese ja z.B.

beim Schmelzen einer Reinsubstanz konstant bleibt, sondern es ist, je nach

Hersteller, die aus Starttemperatur und Heizgeschwindigkeit errechnete

Programmtemperatur oder die Temperatur der inerten Referenz. Es haben sich

hauptsächlich zwei Messprinzipien durchgesetzt:

3.2.2.1 Leistungskompensations-DSC

Diese nach DIN 1005 Dynamische Differenz-Leistungskalorimetrie (DDLK) genannte

Messanordnung wurde 1963 von Watson und O´Neill erfunden [130]. Die

Probenmessstelle und die Vergleichs-(Referenz-) Messstelle verfügen über je einen

Temperaturfühler und eine Heizvorrichtung. Die beiden Seiten werden durch

getrennte Regler so mit Heizleistung versorgt, dass ihre Temperatur einem

gewünschten Temperaturprogramm folgt. Die Leistungsaufnahme bzw. -abgabe der

Probe wird dabei durch äquivalentes Vergrößern oder Vermindern der Heizleistung

eines Differenzheizkreises kompensiert. Der dazu nötige Heizleistungsunterschied

wird in eine proportionale elektrische Spannung umgewandelt, welche ihrerseits dem

___________________________________________________

89

3. Materialien und Methoden

Wärmestrom zur Probe proportional ist. Um ein gutes Abkühlverhalten zu

gewährleisten, wird die Umgebung der beiden Messstellen mittels Thermostat z.B.

bei 20°C stabil gehalten. Naturgemäß steigt die durch Strahlung, Konvektion und

Leitung an die Umgebung der beiden Messstellen abgegebene Heizleistung mit

steigender Temperatur stark an. Schon geringfügige Unterschiede der Wärmeabgabe

führen dabei zu einem merklich verschiedenen Leistungsbedarf und damit zu einer

Drift der Blindkurve (Basislinie).

3.2.2.2 Wärmestrom-DSC

Diese schon 1955 von Boersma [131] beschriebene Messanordnung wird nach

DIN51005 Dynamische Differenz-Wärmestrom-Kalorimetrie (DDWK) genannt. Hier

handelt es sich um eine Zwillingsanordnung von Probe und Vergleichsmessstelle in

einem einzigen Ofenkörper. Der Wärmestrom fließt vom Ofen über einen definierten

Wärmewiderstand zur Probenseite bzw. zur Referenzseite. Die treibende Kraft für

den Wärmestrom ist der Temperaturunterschied über dem Wärmewiderstand. Der

Wärmestrom zur Probe selbst entspricht dem Unterschied der beiden Wärmeströme.

Bei der Wärmestrom-DSC ist der zur Messung verwendete Wärmewiderstand

temperaturabhängig. In mikroprozessorgesteuerten Geräten wird diese

Temperaturabhängigkeit vom Auswertprogramm automatisch kompensiert.

3.2.3 Heizgeschwindigkeit

Die Heizgeschwindigkeit (Temperaturprogramm) spielt eine wichtige Rolle bei

thermoanalytischen Messungen. Für Vergleichszwecke soll möglichst immer die

gleiche Heizgeschwindigkeit verwendet werden. Exaktes thermodynamisches

Gleichgewicht ist nur bei isothermen Messungen möglich. Thermische Stabilität und

chemische Reaktionen werden oft isotherm gemessen. Da bei den üblicherweise

___________________________________________________

90

3. Materialien und Methoden

kleinen Proben, welche bei thermoanalytischen Messungen eingesetzt werden

(typisch 10 mg), kaum Temperatur- und Konzentrationsgradienten auftreten, ergibt

z.B. bei der DSC-Reinheitsbestimmung auch eine Heizgeschwindigkeit von 2°C/min

keine Verfälschungen. Chemische Reaktionen werden üblicherweise bei 5°C/min

gemessen. Kleine Heizgeschwindigkeiten helfen, eng benachbarte physikalische

Umwandlungen voneinander zu trennen, d.h. die Temperaturauflösung steigt mit

sinkender Heizrate. Da chemische Reaktionen mit höheren Heizgeschwindigkeiten

zu höheren Temperaturen verschoben werden, Phasenumwandlungen dagegen

kaum beeinflusst werden, gelingt deren Trennung hier oft besser bei höheren

Heizgeschwindigkeiten, z.B. 20°C/min. Werden nur geringe Ansprüche an die

Temperaturgenauigkeit gestellt, d.h. wird bei der DSC nur die Wärmetönung oder bei

der Thermogravimetrie nur der Gewichtsverlust gemessen, können auch

Heizgeschwindigkeiten von 50 oder gar 100°C/min angewendet werden.

Physikalische Umwandlungen zeigen bei negativen Heizgeschwindigkeiten häufig

starkes Unterkühlen, z.B. gefrieren 10 mg Wasser beim Abkühlen mit 10°C/min erst

bei ca. –15°C.

3.2.4 Vergleich der Messprinzipien von DTA und DSC

In Abbildung 23 ist ein schematisches Diagramm eines Gerätes für Differenzial-

Thermoanalyse zusammen mit den Definitionen der Begriffe, die für einen Vergleich

von klassischer DTA, Wärmefluss-DSC und Leistungskompensations-DSC gebraucht

werden, gezeigt.

___________________________________________________

91

3. Materialien und Methoden

Abbildung 23: Schema eines Messgerätes zur Differenzial-Thermo-Analyse [132]. Links die

Messstelle, rechts die Referenzmessstelle. Th: Temperatur der Wärmequelle, Ts: aktuelle

Probentemperatur, Tsm: gemessene Probentemperatur, Cs: Wärmekapazität der Probe plus

Pfännchen, Csm: Wärmekapazität der Proben-Messstelle, Tr: aktuelle Referenztemperatur, Trm:

gemessene Referenztemperatur, Cr: Wärmekapazität der Referenz plus Pfännchen, Crm:

Wärmekapazität der Referenz-Messstelle, R´s, Rs, R´r, Rr: Thermische Widerstände, dq/dt:

Wärmefluss.

In einem idealen Zwillingsgerät sind die Wärmekapazitäten und thermischen

Widerstände gematched, d.h. Crm=Csm; Rr=Rs=R und R´r=R´s=R´. Zu beachten ist,

dass R≠R´ und Cs≠Cr.

Der Wärmefluss wird durch Newtons Gesetz beschrieben:

TRdt

dq∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

1

(81)

Der Wärmefluss zur Probe heizt sowohl die Probenmessstelle als auch die Probe

selbst:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

dtdT

Cdt

dTC

dtdq s

ssm

sms

(82)

___________________________________________________

92

3. Materialien und Methoden

und es gilt weiterhin:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

dtdT

Cdt

dq ss

s/

(83)

also:

dtdq

dtdT

Cdt

dq ssmsm

s/

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

(84)

Newtons Gesetz angewendet:

( )smhs TT

Rdtdq

−⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

1

(85)

und

( )ssms TT

Rdtdq

−⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= /

/ 1

(86)

Ähnliche Ausdrücke ergeben sich für die Referenzseite.

3.2.4.1 Klassische DTA

Inder klassischen DTA befinden sich die Temperatursensoren, meist Thermosäulen,

direkt innerhalb der Probe und der Referenz, so dass Tsm=Ts und Trm = Tr, d.h. R´=0.

Das Signal berechnet sich dann zu:

( )rs CCdtdTRT −⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=∆

(87)

___________________________________________________

93

3. Materialien und Methoden

und hängt von der Differenz der Wärmekapazitäten von Probe und Referenz, der

Heizrate und dem thermischen Widerstand R ab. R ist nur schwierig experimentell

zugänglich und hängt sowohl von den Eigenschaften des Messgerätes ab, wie auch

von den Eigenschaften von Probe und Referenz.

3.2.4.2 Leistungskompensations-DSC

In der Leistungskompensations-DSC wird die Leistung so geregelt, dass Tsm=Trm.

Also ist Th=Tsm=Trm und R=0, d.h. es besteht kein thermischer Widerstand zwischen

der Wärmequelle und der Messstelle. Das Signal errechnet sich dann zu:

( )rs CCdtdT

dtdq

−⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛∆

(88)

3.2.4.3 Wärmefluss-DSC

Die Bedingungen hier lauten: Th ≠ Tsm ≠ Ts und R ≠ R´≠ 0.

Das Signal errechnet sich zu:

( )rssmrm CCdtdTRTTT −⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=−=∆

(89)

Dieser Ausdruck ist dem für die klassische DTA sehr ähnlich, außer dass der

Widerstand R ausschließlich vom Messgerät und nicht von den Eigenschaften der

Probe abhängt. R ist eine Funktion der Temperatur und der Zusammenhang

zwischen R und T muss durch Kalibrierung des Messgeräts ermittelt werden. Manche

Hersteller von DSC-Geräten haben eine elektronische Kompensation für diese

Temperaturabhängigkeit und für die Umwandlung des Signals in Leistungseinheiten

(mW) im Kontrollmodul ihrer Geräte eingebaut.

___________________________________________________

94

3. Materialien und Methoden

3.2.5 Mikrokalorimetrie

Die kalorimetrische Untersuchung von Änderungen des konformativen Zustands von

Proteinen ist die einzige Methode, die Enthalpieänderung der Denaturierung direkt zu

bestimmen. Alle temperaturinduzierten Änderungen in makroskopischen Systemen

sind mit Ethalpieänderungen verbunden. Wird der Prozess durch

Temperaturerhöhung ausgelöst, wie die Denaturierung von Proteinen, ist der Prozess

endotherm, andernfalls, wenn der Prozess durch Temperaturerniedrigung ausgelöst

wird, wie das Kristallisieren oder die Faltung von Proteinen, ist er mit

Wärmefreisetzung verbunden, also exotherm.

Die Temperaturabhängigkeit der Enthalpie H kann experimentell durch

kalorimetrische Messung der Wärmekapazität C(T) der zu untersuchenden Systeme

über den interessierenden Temperaturbereich bestimmt werden:

∫ ∆+=∆T

Tm

DN

DN

DN

m

THdTTCTH )()()(

(90)

Einzelne Proteinmoleküle sind so groß, ihre molekulare Masse ist, mehreren

Tausend Atomen entsprechend, größer als 10.000 kDa, dass sie als makroskopische

Objekte anzusehen sind. Erst bei Konzentration < 10-4 M sind die intramolekularen

Wechselwirkungen eines biologischen Makromoleküls in Lösung vernachlässigbar. In

solch verdünnten Lösungen ist der Einfluss des Makromoleküls auf die thermischen

Eigenschaften der gesamten Probe entsprechend klein. In mikrokalorimetrischen

Messungen übersteigt die Wärmekapazität des Proteins nicht 0,03% und die

Überschuss-Wärmekapazität des Peak nicht 1% der Wärmekapazität der gesamten

Lösung.

Eine weitere Schwierigkeit bereitet der Biokalorimetrie die oft schlechte

Zugänglichkeit biologischer Makromoleküle aufgrund erschwerter Gewinnung,

___________________________________________________

95

3. Materialien und Methoden

Isolierung und Reinigung, sodass üblicherweise höchstens einige Milligramm der

Substanzen vorliegen.

Dynamischen Mikrokalorimeter messen keine absoluten Wärmekapazitäten, sondern

Wärmekapazitätsdifferenzen bzw. Überschusswärmekapazitäten, und sie haben ein

Zwillingsdesign mit zwei identischen Messzellen, eine für die Probe und eine für eine

Referenzlösung, meist Puffer. Die Wärmekapazitätsdifferenz wird normalerweise

nach der Kompensationsmethode bestimmt: ein Controller steuert die Heizleistung in

den beiden elektrischen Heizern jeder Messzelle so, dass die Temperaturdifferenz

zwischen Proben- und Referenzzelle konstant bei Null gehalten wird. Die Differenz

der Heizleistungen wird kontinuierlich über der Temperatur aufgezeichnet.

Das freie Volumen bereitet insofern Schwierigkeiten, als Wasser eine hohe

Verdampfungs-Enthalpie besitzt (2 kJ/g).

Die Auflösung eines Messgerätes hängt nicht nur vom Signal/Rausch-Verhältnis des

Messgerätes ab, sondern ebenso von der Form des Signals. Im Falle der

Mikrokalorimetrie von biologischen Makromolekülen liegt das Spektrum möglicher

Signale zwischen 0,1°C (beim hochkooperativen Schmelzen von Homo-Polymeren

und Phospholipid-Doppelschichten) und bis zu 100°C bei wenig kooperativen

Übergängen mit geringer Umwandlungs-Enthalpie.

Die Heizraten in mikrokalorimetrischen Untersuchungen von Makromolekülen in

Lösung sollte 5 K/min nicht übersteigen und ist bevorzugt niedriger (typischerweise 1

K/min).

Die thermische Denaturierung begleitende intramolekulare Reaktionen, wie die

Aggregation, chemische Modifizierung und intermolekulares Vernetzen führen zu

(partieller) Nicht-Reversibilität des Phasenwechsels [133]. Deshalb sollten

Bedingungen ausgewählt werden, die den intramolekularen Kontakt auf ein Minimum

reduzieren: durch möglichst niedrige Konzentration des Proteins, durch Wahl des

___________________________________________________

96

3. Materialien und Methoden

geeigneten pH-Werts (entfernt vom iso-elektrischen Punkt) und Einstellen der Ionen-

Stärke.

Grundsätzlich erhöht sich die Empfindlichkeit eines Dynamischen Differenz-

Kalorimeters mit steigender Heizrate. Eine steigende Heizrate führt zu einer

Verringerung der Uniformität des Temperaturfeldes in der Probe, was zu einer

Verbreiterung des thermischen Effekts führt. Die Geschwindigkeitskonstante einer

typischen temperatur-induzierten Phasenumwandlung eAbbildung 23ines Proteins

liegt im Bereich von 103 s-1. Besondere kleine Proteine falten sich aber schon in

wenigen µs [134]. Dynamische Differential Mikro-Kalorimeter, z.B. VP-DSC,

MicroCal, Inc., sind für die Untersuchung von Wärmekapazitätsänderungen in

Flüssigkeiten ausgelegt (Kapillare, 300 µl -1500 µl Zelle, einfacher Einlass). Die

Untersuchung von festen Proben oder von Hydrogelen ist mit diesen Geräten nicht

möglich.

Abbildung 24: Dynamisches Differential Mikrokalorimeter (VP-DSC, MicroCal, Inc.) mit zwei identische

Messzellen (1,5-0,3 ml) [135].

___________________________________________________

97

3. Materialien und Methoden

Zur Bestimmung der Wärmekapazitätsänderung ist eine einzelne Messung nicht

ausreichend. Zuerst wird eine Gerätebasislinie aufgezeichnet mit Puffer in beiden

Messzellen. Diese Basislinie ist auch für hochempfindliche Kalorimeter nicht linear

oder gar horizontal, da die beiden Messzellen nie völlig gleich hergestellt werden

können. Allerdings ist in Präzisionsinstrumenten diese Basislinie stabil und

reproduzierbar, sodass die einmal aufgezeichnete Basislinie zur Korrektur folgender

Messungen verwendet werden kann.

Zur Messung der Überschuss-Wärmekapazität wird die Messzelle mit Proteinlösung

gefüllt, die Vergleichszelle mit Puffer. Nach Abzug der Basislinie erhält man so die

Überschuss-Wärmekapazität des Proteins. Die Differenz ist aber eine zwischen zwei

aufeinander folgende Messungen und die Vergleichsmesszelle dient nur als interne

Referenz. Dadurch wird den Nicht-Identitäten der beiden Messzellen Rechnung

getragen.

Zur Bestimmung der Wärmekapazität der Probe muss das Gerät kalibriert werden.

Das kann nicht durch bekante Wärmekapazitäten von Eichsubstanzen geschehen,

da deren absoluten Wärmekapazitäten niemals mit der erforderlichen Genauigkeit

zur Kalibrierung von Dynamischen Differenzkalorimetern bestimmt worden sind.

Daher erfolgt die Kalibrierung elektrisch durch Applizierung einer definierten

Heizleistung P in eine der Zellen, wodurch der Wärmekapazitätswechsel in der Probe

immitiert wird.

Wird die Kalibrierungsleistung für eine Zeitdauer von t Sekunden angelegt, wird eine

Energie von

tPE ⋅= (91)

übertragen und diese entspricht der Fläche S unter der Kalibrierungsmarke.

Die apparente Wärmekapazitätsänderung ist gegeben durch Gleichung 92:

___________________________________________________

98

3. Materialien und Methoden

1−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=∆

dtdTPC

(92)

(dT/dt) ist die Heizrate. Durch Dividieren des aufgezeichneten Signals <∆C> durch l,

der Stufenhöhe der Kalibrierungsmarke der Aufzeichnung, erhält man den Wert der

Wärmekapazität einer Einheit der Aufzeichnung [13,136].

1−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆

dtdT

lPlC

(93)

Ändert sich die Heizrate während der Messung, wird eine zeit- bzw.

temperaturabhängige Kalibrierkurve erstellt. Dazu wird eine periodische Heizleistung

während des gesamten Messung appliziert und die Stufenhöhe des Antwortsignals in

Abhängigkeit von der Temperatur (bzw. der Zeit) analysiert. Die Differenz der

Wärmekapazität zwischen einer Lösung eines biologischen Makromoleküls und dem

Lösungsmittel Wasser ist immer negativ, weil die Wärmekapazität von

Makromolekülen kleiner ist als die des Wassers gleichen Volumens.

3.2.6 Probenvorbereitung DSC

Am Institut für Makromolekulare Chemie und am Institut für Experimentelle

Polymerphysik bestand die Möglichkeit, Messungen der Denaturierung der GOx auf

herkömmlichen DSC-Maschinen (Perkin-Elmer DSC7) durchzuführen, und einige

Aspekte der Denaturierung der GOx und einige Ko-Solvens Einflüsse konnten

charakterisiert werden.

___________________________________________________

99

3. Materialien und Methoden

Abbildung 25: Schema einer konventionellen Leistungskompensations-DSC (Perkin-

Elmer DSC 7).

In der konventionellen DSC wird die Probe, fest, flüssig oder gelartig, in kleine

Aluminiumtiegel von 40 µl Fassungsvermögen eingewogen und diese dann mit

einem Deckel in einer Presse kaltverschweißt. Für dampfdruckentwickelnde Proben

gibt es die Möglichkeit, den Tiegel mit einem Deckel mit einem winzigen Loch zu

versiegeln, sodass zwar der Druckaufbau verringert wird, die Materialverluste aber

gering bleiben. Druck in den Tiegeln führt zu einer Verwölbung des Tiegelbodens,

was zu Störungen der Messung führen kann. Bei nichtflüssigen Proben ist evt. zu

beachten, dass guter thermischer Kontakt zum Tiegelboden hergestellt wird, z.B.

durch Benetzung mit Silikonöl. Der Tiegel wird dann auf die Messstelle des

Zwillingsinstruments eingesetzt (Abbildung 25); auf die Referenzstelle wird ein

Leertiegel eingesetzt. Die Heizrate betrug bei allen Messungen 5 K/min.

3.2.7 Nano-DSC

Traditionelle Kalorimeter gewährleisten hohe Auflösung und Präzision in der

Bestimmung von Wärmemengen nur, wenn die Probenmasse und die Heizrate nicht

zu klein sind. Die Reduzierung der thermischen Masse des Messgerätes (Addenda)

in Kombination mit verbesserten themischen Eigenschaften kann dazu beitragen, die

___________________________________________________

100

3. Materialien und Methoden

Auflösung der Temperaturmessung zu verbessern und das Signal-Rausch-Verhältnis

soweit zu erhöhen, dass auch kleine Proben mit kleinen Heizgeschwindigkeiten

untersucht werden können [158].

3.2.7.1 Zur Auswahl der Kalibrierungssubstanzen

Die Demonstration der Eignung des vorgestellten Chip-Kalorimeters neuen Typs zur

thermischen Detektion von Phasenumwandlungen geringer Wärmetönung erfolgte in

drei Schritten. Im ersten Schritt wurde die geforderte Empfindlichkeit anhand der

Phasenumwandlungen von Flüssigkristallen demonstriert. Im zweiten Schritt wurde

die Detektion einer Phasenumwandlung in wässrigem Milieu gezeigt. Aufgrund der

hohen Wärmekapazität des Wassers als Medium war mit einer starken Dämpfung

des thermischen Signals in diesem für die Bio-Kalorimetrie obligatorischen Medium

zu rechnen. Darüber hinaus hat Wasser eine hohe Verdampfungsenhalpie, sodass

die Verdunstung während des Aufheizens zu vermeiden war. Als weitere

Testsubstanz wurde deshalb eine verdünnte wässrige Lösung des Phospholipids

DMPC gewählt. Die in solchen Lösungen z.B. nach Ultraschallbehandlung sich

spontan bildenden Vesikel, bestehend aus Lipid-Doppelschichten, zeigen, ähnlich

Flüssigkristallen, kooperative Ordnungs/Unordnungs-Übergänge kleiner

Wärmetönung. Die Energie des Übergangs kann darüber hinaus durch die Wahl der

Konzentration des Phospholipids eingestellt werden.

Im dritten Schritt wurde das thermische Denaturieren des Enzyms GOx, dessen

Denaturierungstemperatur Tm im Bereich zwischen 70°C und 80°C liegt, in Lösung

und eingebettet in eine Hydrogelmatrix, detektiert.

Flüssigkristalle wie auch Phospholipide haben als Kalibriersubstanzen den Vorteil,

dass ihre Phasenumwandlungen, anders als die der meisten Enzyme, vollständig

reversibel sind und deshalb mehrere Messungen mit ein und derselben Probe

durchgeführt werden können.

___________________________________________________

101

3. Materialien und Methoden

3.2.7.1.1 Flüssigkristalle

Flüssigkristalle sind Vertreter einer speziellen Klasse von Materialien. Sie sind

Flüssigkeiten, weil sie fließfähig sind und sie sind Kristalle, weil sie in wenigstens

einer Raumrichtung geordnet sind [137-139]. Diese Materialien befinden sich in

einem Zustand zwischen fest und flüssig. Die am einfachsten gebauten

Flüssigkristalle (Mesogene) bestehen aus einem einzelnen semirigiden oder

mesogenen Kern, verbunden mit einer oder zwei terminalen Alkylketten. Das

flüssigkristalline Verhalten resultiert aus der anisotropen Wechselwirkung dieser

Kerne, die meist von Phenylringen gebildet werden. Die Strukturformel des

Flüssigkristalls MH24 ist in Abbildung 26 dargestellt [140].

Abbildung 26: Strukturformel des Mesogens MH24 (4´-Oktyloxy-biphenyl-4-carbonitril)

Der Flüssigkristall MH24 von Merck™ zeigt neben dem Schmelzen zwei

Umwandlungen zwischen flüssigkristallinen Subphasen. Bei 67,1 °C wandelt sich in

einem endothermen Prozess die smektische Subphase A (smA) in die ebenfalls

flüssigkristalline nematische Subphase (n) um, verbunden mit einer

Phasenumwandlungsenergie von 0,29 J/g. Diese wiederum wandelt sich bei 80,1 °C

mit einer Energie von 2,2 J/g in die isotrope Flüssigkeit um [140].

Das Augenmerk für die Demonstration der Empfindlichkeit lag dabei vor allem auf der

Umwandlung mit der kleineren Energie (smA↔n).

___________________________________________________

102

3. Materialien und Methoden

3.2.7.1.2 Phospholipidvesikel

Die Gel/Flüssigkristall-Phasenumwandlung von Phospholipid-Doppelschichten ist gut

geeignet, Phasenumwandlungen in Wasser zu untersuchen [141]. Phospholipide

sind amphiphile Moleküle, d.h. sie haben sowohl polare als auch nichtpolare

Segmente: hydrophile Kopfgruppen und hydrophobe Schwänze. In wässriger Lösung

aggregieren Phospholipide spontan zu Doppelschichtstrukturen. Die hydrophilen

Kopfgruppen auf der Oberfläche sind dem Lösungsmittel Wasser zugewandt, die

hydrophoben Schwänze sind inwärts gerichtet. Die Selbstassoziation ist

entropiegetrieben durch die Freisetzung von Wassermolekülen aus der

Hydratationssphäre des Phospholipids im Zuge der Selbstassoziation. Wenn sich die

Doppelschicht um eine wassergefüllte Kavität schließt, entstehen Vesikel.

Abbildung 27: Vesikel, geformt aus einer Phospholipid-Doppelschicht.

Der Phasenübergang des Phospholipids DMPC erfolgt bei niedrigen Temperaturen

(24°C), wodurch die Versuchsdurchführung erleichtert ist. Zur Untersuchung wurden

Multilagen-Vesikel von 100 nm - 5 µm im Durchmesser (nicht gemessen) verwendet,

die durch Ultraschall-Behandlung einer Dispersion des Phospholipids in Wasser

hergestellt worden waren. In den Vesikeln sind die Phospholipidmoleküle dicht

gepackt und über starke van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden. Beim

Einsetzen der Phasenumwandlung beginnen die Moleküle kooperativ zu schmelzen.

In der resultierenden flüssigkristallinen Phase sind die Moleküle nicht mehr dicht

___________________________________________________

103

3. Materialien und Methoden

gepackt, sondern nur lose assoziiert durch gelockerte van-der-Waals-Kräfte zwischen

den Alkyl-Ketten [142-144]. Der Gel/Flüssigkristall-Übergang ist hochkooperativ. In

kooperativen Übergängen beginnen sich die Moleküle, schon bevor der eigentliche

Übergang einsetzt, zu reorganisieren und gleichförmig zu bewegen. Die Moleküle

kooperieren miteinander, um größere Beweglichkeit zu erreichen. Nahe der

Phasenumwandlung bilden sich erkennbare Inseln stärker beweglicher Moleküle

neben Bereichen, die noch starr und dicht gepackt sind. Die Anzahl der Moleküle, die

eine solche Insel bilden, wird als kooperative Einheit (C.U.) bezeichnet. Je größer die

kooperative Einheit, desto schmaler ist der Temperaturbereich des Übergangs. Der

Gel/Flüssigkristall-Übergang ist erster Ordnung mit einigen Aspekten eines

Übergangs zweiter Ordnung. Übergänge erster Ordnung zeichnen sich durch eine

abrupte Enthalpie- und Volumenänderung bei der Phasenumwandlungstemperatur

aus. Die Phasenumwandlung erster Ordnung ist vollständig kooperativ, alle Moleküle

wandeln sich gemeinsam um. Phasenumwandlungen zweiter Ordnung zeigen keine

Enthalpie- oder Volumenänderung bei der Phasenumwandlungstemperatur. Ein

Phasenübergang erster Ordnung ist theoretisch unendlich scharf, während in

Übergängen zweiter Ordnung der Peak durch die Ausbildung von kooperativen

Bereichen von begrenzter Reichweite vor der eigentlichen Umwandlung verbreitert

wird. In Thermogrammen synthetischer Phospholipide ist deshalb ein kleiner Peak

bei niedrigerer Temperatur als der eigentlichen Umwandlungstemperatur beobachtet

worden, die sogenannte pre-transition, wie auch eine Verbreiterung der

Hauptumwandlung [142].

Je größer die kooperative Einheit, desto schmaler ist der Übergang und desto größer

ist die van´t Hoff-Enthalpie ∆HvH. Die Peakbreite kann durch die Halbwertsbreite ∆T1/2

(FWHM full width at half maximum) ausgedrückt werden. Breitere Peaks

korrespondieren mit weniger kooperativen Übergängen. Diese Überlegungen gelten

auch für die Phasen-Übergänge von Proteinen.

___________________________________________________

104

3. Materialien und Methoden

Tabelle 3: Energien und Temperaturen der untersuchten Phasenübergänge.

Substanz Übergang Temperatur [°C] Energie [Jg-1]

MH24 smA↔n

n↔l

67,1

80,1

0,29

2,2

DMPC (10% w/v) gel↔flüssigkristallin 24,2 3,8

GOx (5% w/v) nativ↔denaturiert 77 0,85

3.2.7.2 Set-up Nano-Kalorimeter

Die chip-basierte Nano-Kalorimetrie bedient sich einer neuen Generation von

Kalorimetern, die in ihren Abmessungen um ein Vielfaches reduziert sind gegenüber

ihren mikrokalorimetrischen Vorläufern. Diese Kalorimeter sind in Dünnschichttechnik

hergestellte Mikrosysteme mit einer temperatursensortragenden Membran als

gemeinsamen Konstruktionsmerkmal. Die Membran inclusive einer darauf platzierten

Probe kann als quasi-adiabatisch angesehen werden, d.h. der thermische Kontakt

zur Umgebung ist auf ein Minimum reduziert. Dadurch ist die Empfindlichkeit in der

Bestimmung von Wärmemengen erhöht bis in den nJ-Bereich hinein [147]. Als

Temperatursensoren kommen zumeist Thermosäulen oder Widerstands-

Temperatursensoren zum Einsatz [146-148,174-179]. Die Empfindlichkeit der

Temperaturauflösung beträgt <100 µK. Das Probenvolumen reicht von 60 pL

[147,148] bis 50 µl [146]. Die Leistungsempfindlichkeit hat den nW-Bereich erreicht

[147,148,174]. In der Regel handelt es sich, wie auch in den klassischen DSC-

Geräten, um Zwillingsinstrumente, mit einer Proben- und einer Referenzmessstelle.

Erstmalig konnte mit Nano-Kalorimetern die größenabhängige

Schmelzpunkterniedrigung von metallischen Nano-Partikeln beobachtet werden

___________________________________________________

105

3. Materialien und Methoden

[179]. Ein kalorimetrisches Mikrophysiometer wurde zur Bestimmung der Zellaktivität

durch Wärmemessung eingesetzt [146] und es wurden Nano-Kalorimeter zur

Bestimmung der Phasenumwandlung von Proteinen eingesetzt [174,177].

Das hier vorgestellte Nano-Kalorimeter besteht aus einer Nitridmembran von 0,25

mm2 Fläche mit darin eingebetteten Widerstands-Temperatursensoren aus

Germanium mit hohem negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Mit

diesem Chip sind Temperaturmessungen <100 µK möglich und eine

Leistungsempfindlichkeit von <50 nW [174].

Abbildung 28: Set-Up des Nano-Kalorimeters. Das Brückensignal wurde von einem IC-Verstärker (INA

110 KP) verstärkt und von einer 16 bit Messkarte (Computerboards DAS) aufgezeichnet.

___________________________________________________

106

3. Materialien und Methoden

Abbildung 29: links:Mikrograph des Nano-Kalorimeters (Rückansicht). Die dunkler erscheinende

Fläche in der Mitte ist die Membran (0,25 mm2). Der zentrale der 5 Thermistoren ist von einem

Chromheizelement umgeben. In der unteren Hälfte sieht man die Kontaktierungen. Rechts: der ganze

Chip mit Kontaktierung. Die Membran erscheint als hellere Fläche in der Mittte.

Der Chip (Abbildung 29) ermöglicht die simultane Temperaturmessung an 5

Positionen symmetrisch um den Heizer. Er wurde aus einem 500 µm Silizium-Wafer

hergestellt. Die Temperatursensoren sind mikrostrukturierte Halbmetallwiderstände

aus Germanium, metallisch kontaktiert und eingebettet in eine 1 µm Schicht

Siliziumnitrid. Der zentrale Bereich des Sensorarrays ist eine Kavität mit einer

Siliziumnitridmembran als unterer Begrenzung. Diese Kavität dient der Aufnahme

des Probenguts. Während der Aufheizung des Chips werden die Temperaturen an

den verschiedenen Positionen gemessen. Chemische Reaktionen innerhalb der

Probe, die mit der Freisetzung oder der Aufnahme von Wärme verbunden sind,

führen zu einem Temperaturunterschied zwischen den zentralen Membran-

Thermistoren, die in nahezu unmitelbarem Kontakt mit dem Probenmaterial stehen,

und den Thermistoren, die mit dem Siliziumkörper in Kontakt stehen.

Um die Temperatur des Einsetzens einer thermisch induzierten Reaktion mittels des

Nano-Kalorimeters zu bestimmen ist zweierlei notwendig: erstens die kontinuierliche

___________________________________________________

107

3. Materialien und Methoden

Messung der Temperatur der Probe während des Aufheizens, zweitens die ebenfalls

kontinuierliche Messung der Temperaturdifferenz zwischen der Probe und dem

Chipkörper. Erstere ist hinreichend genau bestimmt durch Angabe der

Umwandlungstemperatur plus/minus 0,1°C.

Da die Energien der untersuchten Reaktionen aber sehr gering sind, < 1 µJ, sind die

Anforderungen an die Differenztemperaturmessung jedoch wesentlich höher. Hier ist

eine Temperaturauflösung < 1 mK notwendig.

Diese geforderte hohe Sensitivität wird erreicht durch die Wahl des Halbleiters

Germanium als Sensormaterial. Die Dünnschichtwiderstände aus Germanium zeigen

einen hohen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes

(TKR) von –2% und können sehr hochohmig hergestellt werden. Der Widerstand

eines Germanium-Thermistors von 1 MΩ sinkt bei einer Temperaturerhöhung um ein

Tausendstelgrad um 20 Ω oder 20 ppm.

Abbildung 30: Detailansicht des Nano-Kalorimeters. Der Thermistor TS und befindet sich auf der

Membran, der Thermistor TR auf dem Chipkörper. Um den zentralen Thermistor auf der Membrann

ist das Heizelement aus Chrom zur elekrischen Kalibration gewunden.

___________________________________________________

108

3. Materialien und Methoden

3.2.7.3 Temperaturmessung mit Ge-Thermistor

Die Zuordnung der gemessenen Widerstandsänderung zur Temperatur des Sensors

erfolgte durch vorhergehende Kalibrierung im Bereich zwischen 25 und 100°C. Dazu

wurde der Chip in einem Ofen auf eine bestimmte Temperatur gebracht und die

Widerstände der Thermistoren gemessen.

Diese Kalibrierung erfolgte für jeden Chip und jeden individuellen Thermistor. In

Abbildung 31 ist exemplarisch der Gang eines Germanium-Widerstandes in

Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Ersichtlich ist eine gewisse Krümmung

der R/T-Kennlinie, was auf eine Temperaturabhängigkeit des

Temperaturkoeffizienten hinweist.

Die Messwerte lassen sich durch Gleichung 94 annähern:

00)( t

TeARTR

−⋅+=

(94)

Abbildung 31: Verhalten des Thermistorwiderstands in Abhängigkeit von der Temperatur. Fit nach

Gleichung 94; Fitparameter: R0= -19,877 kΩ; A= 1500.273 kΩ; t0= 50,304°C.

___________________________________________________

109

3. Materialien und Methoden

Somit erhält man einen approximierten Zusammenhang zwischen der gemessenen

Widerstandsänderung, R(T)-R0, und der Temperatur (Gleichung 94) und die

Temperaturmessung der Probe mit der geforderten Genauigkeit von +/- 0,1 °C ist

ohne weiteres möglich (Gleichung 95):

( )( )ARTRtT 00 )(ln −⋅−=

(95)

Zur einfachen Messung der Temperatur der Probe wird einer der Membran-

Thermistoren mit 3 Festwiderständen in einer Wheastone-Brücke integriert und die

Diagonalspannung ∆Ui aufgezeichnet.

Abbildung 32: Messbrücke mit einem einzelnen temperaturabhängigen Wiederstand (Thermistor)

und 3 Festwiederständen. Die Betriebsspannung U0 betrug typischerweise 12 V. Aus der

Brückenspannung Ui lässt sich nach Gleichung 96 die Temperatur am Ort des Thermistors

bestimmen.

Aus der Diagonalspannung lässt sich mit Gleichung 96 die Temperatur des

Thermistors unter Verwendung der Kenngrößen t0, A und R0 in Abhängigkeit von der

Betriebsspannung U0 und dem Widerstand R2 berechnen:

( )⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅⋅⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+⋅=

−1

000200 1

211

21ln

UUA

UURRRtT ii

(96)

___________________________________________________

110

3. Materialien und Methoden

Abbildung 33: Zur Berechnung der Temperatur aus der Diagonalspannung Ui nach Gleichung 96 einer

Brücke mit drei Festwiderständen 900 kΩ und einem Germanium-Thermistor von 900 kΩ bei 25°C.

Versorgungsspannung 12 V.

3.2.7.4 Differenztemperaturmessung

Die Temperaturdifferenz zwischen der Probe und dem Chipkörper muss zur

Detektion von Phasenumwandlungen geringer Wärmetönung wesentlich genauer

bestimmt werden. Dazu muss das Signal verstärkt werden, bis 800-fach. Das ist

technisch möglich, wenn das Differenzsignal unabhängig gemacht werden kann von

der globalen Temperaturerhöhung während des Aufheizens des Chips. Dies gelingt

weitgehend durch Integration zweier Thermistoren in eine Halbseite einer

Wheatstone-Brücke, eines Membran-(Proben-)Thermistors und eines Thermistors

vom Chipkörper.

___________________________________________________

111

3. Materialien und Methoden

Abbildung 34: Zur Berechnung der Temperaturdifferenz aus der Diagonalspannung Ui nach Gleichung

103 einer Brücke mit zwei Festwiderständen (900 kΩ) und zwei Germanium-Thermistoren von 900 kΩ

bei 25°C. Thermistor TS befindet sich auf der Membran, Thermistor TR auf dem Chipkörper.

Versorgungsspannung 12 V. Temperaturänderungen des gesamten Chip lassen Ui unbeeinflusst.

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⋅=

21)()()(0 TTTTTTUU RSSi

(97)

Den Zusammenhang zwischen der Diagonalspannung Ui und den beiden

temperaturabhängigen Widerständen TS(T) und TR(T) gibt Gleichung 97 wieder.

Eingesetzt die Ausdrücke für die temperaturabhängigen Widerstände gibt:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅++⋅+⋅+⋅=

−−−

210

00

00

00RtRT

RRStST

SSStST

SSi eAReAReARUU

(98)

Unter der Voraussetzung gleichen Temperaturverhaltens bzw. gleicher Kenngrößen

für beide Thermistoren, also mit AS=AR=A und R0S=R0R=R0 und t0S=t0R=t0, ergibt sich:

0

0

0

0

0

00

2121 t

RTtST

tST

i eRAe

RAe

RA

UU −−−

⋅+⋅+⋅+=+

(99)

Und mit TR=TS+∆T und einigen Umformungen:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++=+

012121

0

tT

i eFFUU

(100)

___________________________________________________

112

3. Materialien und Methoden

Umgestellt nach ∆T

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=∆ i

tST

i UUeARUUtT 2212ln 0

0000

(101)

Mit

0

0

tST

eRAF

=

(102)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +−=∆ ii UU

FUUtT 2212ln 000

(103)

Der Chip eröffnet mit seinen 5 Thermistoren die Möglichkeit, neben der einfachen

Temperaturmessung (mit einem einzelnen Thermistor), die Differenztemperatur

zweifach, rechts und links (mi je zwei Thermistoren), zu messen. Diese Redundanz

erwies sich bei der Suche nach sehr kleinen Peaks bei der Messung der

Denaturierung der GOx als sehr hilfreich, weil Störungen nicht selbstverständlich

beide Seiten des Chip gleichermaßen betreffen. Bei den GOx-Messungen wurde als

Verstärkung der beiden Differenztemperatursignale 500- bzw. 800-fach gewählt.

___________________________________________________

113

3. Materialien und Methoden

Abbildung 35: Zur Berechnung der Temperaturdifferenz zwischen zwei Thermistoren nach Gleichung

103 aus der Diagonalspannung einer Brücke mit zwei Thermistoren (TS und TR). Die

Versorgungsspannung betrug 12. Die Temperaturdifferenz ist nahezu linear zum Brückensignal mit

einer Steigung von 18 K/V. Die Empfindlichkeit ist im Messbereich zwischen Raumtemperatur und

100°C annähernd konstant.

3.2.7.5 Versiegelung der Probenkammer:

Die Verdunstung der wässrigen Probe während des Aufheizens auf 100°C zu

verhindern, ist unerlässlich wegen des großen Wärmeeffekts der Verdunstung von

Wasser.

Der Verschluss mit einer hydrophoben Flüssigkeit wie Öl war nicht

erfolgversprechend. Die Kavität wurde deshalb mechanisch versiegelt.

___________________________________________________

114

3. Materialien und Methoden

3.2.7.6 Zeitkonstante

Einer der Vorzüge eines mikrotechnisch hergestellten Kalorimeters ist die aufgrund

der geringen thermischen Massen (Addenda) kurze Ansprechzeit des Kalorimeters.

Selbst modernste Mikrokalorimeter (z.B. CSC™, N-DSC III, oder MicroCal™ VP-DSC)

haben Systemzeitkonstanten >1 s.

Tabelle 4: Analogie elektrischer und thermischer Größen

Elektrische Größen Thermische Größen

U Spannung [V] ∆T Temperaturdifferenz [K]

dQel/dt≡I Strom [A] dQth/dt Wärmestrom [W]

R Widerstand [Ω] Rth Thermischer Widerstand

[KW-1]

C Kapazität [F] C Wärmekapazität [JK-1]

Ohm´sches

Gesetz

U=R*I Ohm´sches

Gesetz der

Wärmelehre

∆T*=Rth*(dQth/dt)

Laden U= U0(1-e-t/τ) [V] Heizen ∆T=∆T0 (1-e-t/τ) [mK]

Zeitkonstante τ= R*C Zeitkonstante τ= Rth*C [ms]

Die thermische Zeitkonstante τ ist, analog zur elektrischen Zeitkonstanten eines RC-

Glieds, definiert als die Zeit, die das System benötigt, um als Reaktion auf ein

elektrisches oder thermisches Signal 63% (1-1/e) des maximalen Ladezustands zu

erreichen. Es besteht eine Analogie zwischen elektrischen und thermischen Größen

(Tabelle 1).

CRth ⋅=τ

(104)

Der thermische Widerstand der Membran zwischen dem Heizelement und der

Position TS konnte zu 8250 K/W (s.o.) bestimmt werden. Die Wärmekapazität dieses

Membransegments liegt im Bereich von 10-6 JK-1. Damit lässt sich eine Zeitkonstante

___________________________________________________

115

3. Materialien und Methoden

für das leere Kalorimeter von 10-20 ms erwarten. Die Messung ergab eine

Zeitkonstante für das leere Kalorimeter von <20 ms (Abbildung 36).

Abbildung 36: Zur Bestimmung der System-Zeitkonstanten des leeren Kalorimeters. Gezeigt ist das

Antwortsignal auf einen Heizpuls von 55 µW in den Membranheizer nachdem die Daten einer digitalen

5-ms-Glättung nach gleitendem Durchschnitt (Origin, MicroCal™) unterzogen worden waren. Die

System-Zeitkonstante τsysl lässt sich danach zu <20 ms abschätzen. Für die Messung wurden die

Tiefpassfilter der Schaltung entfernt.

___________________________________________________

116

3. Materialien und Methoden

Abbildung 37: Zur Abschätzung der Zeitkonstante des auf einer Seite der Memmbran mit Wasser

gefüllten Nanokalorimeters. Gezeigt ist das Antwortsignal auf einen Heizpuls von 55 µW in den

Membranheizer nachdem die Daten einer digitalen 100-ms-Glättung nach gleitendem Durchschnitt

(Origin, MicroCal™) unterzogen worden waren. Die Zeitkonstante τcal lässt sich so zu <100 ms

abschätzen. Für die Messung wurden die Tiefpassfilter der Schaltung entfernt.

Die Temperaturbestimmung aus der Brückenspannung einer mit einem einzelnen

Thermistor bestückten Messbrücke lässt sich für einen engeren Bereich (-2 bis 2 V)

gut linear annähern. Der Faktor ist abhängig von der Spannung U0 (nicht linear) und

beträgt für 12 V 18 [K/V]. Der Signalhub des gezeigten 55 µW Heizpulses ist 2,2 mV

oder 40 mK. Die gemittelte Heizrate des internen Aufheizens ist 15 K/min.

___________________________________________________

117

3. Materialien und Methoden

3.2.7.7 Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit des Nano-Kalorimeters ist vom TKR der Thermistoren, der

thermischen Masse der Addenda und der Rauschgrenze der Elektronik bestimmt.

Das Rauschniveau der Schaltung lag nach 800-facher Verstärkung (INA110 KP) bei

10-20 mV, entsprechend ca. 50 nW.

Abbildung 38: Demonstration der Empfindlichkeit des Nano-Kalorimeters. Erhöhung der Heizleistung

im Heizelement auf der Membran in 50 nW Stufen.

Das Nano-Kalorimeter ist zwar ein differenzielles Instrument und dient der Detektion

des Temperaturunterschieds zwischen der Probe (Membran) und einer

Referenzstelle (Chipkörper). Die beiden Messorte sind weder identisch noch

vollständig isoliert voneinander. Ein thermisches Übersprechen beim Eintragen von

Heizleistung am Heizer auf der Membran führt zu einer Temperaturerhöhung auch

der Referenzstelle durch Wärmeleitung durch die Membran. Die

Temperaturerhöhung aufgrund von Wärmeeintrag in die Membran an Position TS ist

___________________________________________________

118

3. Materialien und Methoden

8250 [KW-1 ] und im Abstand von ca. 600 µm im Innern des Siliziumträgers, an

Position TR 0,07 [KW-1] (Daten nicht gezeigt). Die Wärmeleitung durch die Membran

vom Membranheizer zum Chipträgers ist aufgrund der geringen Dicke der Membran

(1 µm) sehr gering und so ist die Temperaturerhöhung auf dem Chipkörper nur 10-3 %

derer auf der Membran, wenn die Heizleistung direkt in die Membran appliziert wird.

Die Membran gegenüber dem Chip kann demnach als quasi-adiabatisch angesehen

werden.

Befindet sich Probenmaterial ober- und/oder unterhalb der Membran ist dieses

thermische Übersprechen größer, weil Wärme nicht mehr nur über die Membran zur

Wärmesenke fließen kann sondern ebenso durch direkten Kontakt der

wärmefreisetzenden Probe mit dem Chipkörper. Durch die Probe auf der Membran

wird der thermische Widerstand zwischen Membran und Chip verringert. Befindet

sich Wasser ober- und unterhalb der Membran ist die Temperaturerhöhung aufgrund

von Wärmeeintrag in den Membranheizer an Position TS 504 [KW-1] und im Abstand

von ca. 600 µm im Innern des Siliziumträgers, an Position TR, 24,1 [KW-1]. oder ca.

5% des Wertes an Position TS.

Um den Thermistor auf dem Chipkörper als Referenz im dynamischen

Aufheizvorgang einsetzten zu können, ist es notwendig das Ausmaß der

Temperaturerhöhung auf dem Chip als Antwort auf Energiefreisetzung im

Probenvolumen anstelle der quasi-punktförmigen Heizung auf der Membran zu

bestimmen. Dazu kann die Phasenumwandlungswärme beim Schmelzen bzw.

Kristallisieren von Biphenyl genutzt werden.

Biphenyl schmilzt/kristallisiert mit relativ hoher Schmelzenthalpie von 120,4 Jg-1 bei

68,93°C [149].

___________________________________________________

119

3. Materialien und Methoden

Abbildung 39: Wiederholtes Schmelzen (endotherm up) und Re-Kristallisieren von Biphenyl. Die

untere Messkurve zeigt den globalen Temperaturverlauf, gemessen auf der Membran. Die obere

Messkurve zeigt die verstärkte Temperaturdifferenz zwischen Membran und Chipkörper.

Abbildung 40: Vor allem die Rekristallisation des geschmolzenen Biphenyls zeigte eine gute

Reproduzierbarkeit beim wiederholten Aufheizen und Abkühlen.

___________________________________________________

120

3. Materialien und Methoden

Zur Messung des Übersprechens werden die Thermistoren TS und TR jeweils einzeln

in einer Messbrücke gemessen, die bei 70°C abgeglichen wurde.

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 180055

60

65

70

75

80

T (ML) T (BL)

T [°

C]

t [1/10 s]

Abbildung 41: Zur Abschätzung des Übersprechens. Umwandlung (Schmelzen) von Biphenyl.

Einzelne Thermistoren (ML≡TS und BL≡TR) in Brücke mit 3x900 kOhm Festwiederständen. Heizrate

10K/min, Verstärkung 10-fach.

Wie in Abbildung 41 ersichtlich führt die Energiefreisetzung durch das Kristallisieren

von Biphenyl zu einer deutlich größeren Temperaturerhöhung an der Position des

Membran-Thermistors TS als an der Position des Thermistors auf dem Chipkörper TR.

Dieser Unterschied ermöglicht die thermische Detektion des Einsetzens von

Phasenumwandlungen während des Aufheizens bzw. Abkühlens der Probe auch im

nicht-quasi-adiabatischen Modus. Für eine zukünftige enthalpische Kalibrierung des

Nano-Kalorimeters wäre entweder das Übersprechen ganz zu vermeiden durch

Platzierung der Probe auf der Membran ohne Kontakt zum Chipkörper. Dann wäre

die Membran inklusive der Probe als quasi-adiabatisch anzusehen und die

___________________________________________________

121

3. Materialien und Methoden

Kalibrierung ohne Model mithilfe der elektrischen Heizung möglich. Oder das

Übersprechen wird in Kauf genommen und charakterisiert. Dieleztere Version ist

jedoch technisch wesentlich einfacher, d.h. die ohnehin vorhandene Kavität dient

direkt als Probenkammer, die weiterhin alle Freiheiten an den Aggregatzustand der

Probe lässt. Der Verlust an Signalintensität durch das Übersprechen kann aufgrund

der hohen Auflösung der Temperaturmessung und die bessere Handhabbarkeit

ausgewogen werden. Durch die Modellierung der thermischen Verhältnisse des

Chips inklusive Probe mittels FEM bzw. PSpice sollte zudem die enthalpische

Kalibrierung dieser Version möglich sein.

4. Ergebnisse Um aufzuklären, in welchem Zusammenhang die Lebensdauer der enzymatischen

Aktivität (katalytische Stabilität) des Enzyms GOx zur Denaturierungstemperatur

dieses Enzyms steht, wurden einerseits Messungen der Halbwertszeit τ1/2 der

enzymatischen Aktivität bei erhöhter Temperatur (60°C) mithilfe eines

Stess/Aktivitätstests für die Untersuchung fadenförmiger Mikrogele durchgeführt und

andererseits wurde die Denaturierungstemperatur des Enzyms in den Hydrogelen

mittels Dynamischer Differenzialkalorimetrie bestimmt. Im Vordergrund stand dabei

die Frage nach der Besonderheit der Mikroumgebung, wie sie sich dem Enzym

innerhalb eines vernetzten Hydrogels darbietet. Die empirische Tatsache, dass sich

Enzyme in Hydrogelen, z.B. in Biosensoren, als stabiler gegenüber irreversibler

Inaktivierung erweisen, macht diese Frage auch technologisch relevant.

_______________________________________________________________

122

4. Ergebnisse

4.1 GOx- Aktivität

4.1.1 Kinetische Konstanten GOx

Die Michaelis-Menten-Konstante der GOx in Lösung wurde durch Bestimmung der

enzymatischen Aktivität bei unterschiedlichen Substratkonzentrationen ermittelt. Es

ergab sich ein gemittelter Wert von 22 mM, in guter Übereinstimmung mit

Literaturwerten [121]. Die Maximalgeschwindigkeit bei Substratsättigung vmax bei

einer Enzymkonzentration von 0,25 nM lag im Bereich von 83 nMs-1, woraus sich

eine Wechselzahl kcat von ca. 330 s-1 in guter Üereinstimmung mit dem Literaturwert

ergibt [122].

Abbildung 42: Abhängigkeit der GOx-Aktivität von der Glukosekonzentration; Enzymkonzentration

0,25 µM oder 4E-4%.

4.1.2 Abschätzung Thiele-Modulus

Um einen Einblick in die Kinetik der enzymatisch katalysierten Reaktion innerhalb

einer Hydrogelmatrix zu gewinnen, müssen die Geschwindigkeit des Stoffumsatzes

an der Enzymoberfläche und die Geschwindigkeit der internen und externen Diffusion

_______________________________________________________________

123

4. Ergebnisse

des Substrats und des Produkts der Reaktion getrennt behandelt werden, falls

letztere nicht vernachlässigbar sind. Ob sie vernachlässigbar sind, oder ob eventuell

noch weitere Einflüsse, Inhibierung des Enzyms durch das Raktionsprodukt etwa,

eine Rolle spielen, wurde durch Abschätzung des Thiele-Modulus´, der eine

kompakte Charakterisierung des Einflusses auf die Raktionsgeschwindigkeit

heterogen katalysierter Reaktionen durch interne Diffusion darstellt, versucht zu

klären. Sollten die Voraussetzungen, unter denen der Thiele-Modulus eine

brauchbare Charakterisierung des kinetischen Verhaltens des heterogenen

Enzymkatalysators ist (homogene Verteilung des Enzyms, Konstanz von

Inhibitorkonzentrationen, Michaelis-Menten-Verhalten des Enzyms auch in der

Immobilisierungsmatrix, Vernachlässigbarkeit von externer Diffusion) zutreffen,

ließen sich die Messwerte der Aktivität (Reaktionsgeschwindigkeit) in Abhängigkeit

von der Substratkonzentration im normierten Plot durch den Thiele-Modulus

charakterisieren (Abbildung 17). Aus den Abildungen 43-45 ist ersichtlich, dass dies

für die untersuchten Hydrogele nicht der Fal war.

Die Hydrogelfäden wurden in Kapillaren von 60 µm Durchmesser hergestellt. Als

charakteristische Länge l zur Abschätzung des Thiele-Modulus´ nach Gleichung 57

wurde der halbe Durchmesser gewählt. Die inhärente Sättigungsreaktions-

geschwindigkeit vmax ergibt sich aus der Einwaage des Enzyms.

( )02,0

107,62210830103

21

27

63

21

22

1max

=

⎥⎥

⎢⎢

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅=

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅= −

−−

cmmMssmMcm

cmmMssmMcml eff

SM DKvϕ

(57)

_______________________________________________________________

124

4. Ergebnisse

Tabelle 5: Theoretische Abschätzung des Thiele-Modulus für einen Hydrogelfaden von 60 µm

Durchmesser und einer Enzymbeladung von 5 U/ml nach Gleichung 57. Der Diffusionskoeffizient der

Glukose in dem Hydrogel wurde mit 10% bzw. 0,1% des Wertes in Wasser angesetzt.

Symbol Dimension Abschätzung 1 Abschätzung 2

Radius Hydrogelfaden l [cm] 3*10-3 3*10-3

Michaelis-Menten

Konstante GOx

KM [mM] 22 22

Maximalgeschwindigkeit Vmax [mMs-1] 830*10-6 830*10-6

Diffusionskoeffizient

Glukose in Lösung

DSeff [cm2s-1] 6,7*10-6 -

Diffusionskoeffizient

Glukose im Hydrogel

DSeff [cm2s-1] 6,7*10-7 6,7*10-9

Thiele-Modulus ϕ ∅ 0,02 0,2

Abbildung 43: Normierter Plot der

Reaktionsgeschwindigkeit in

Abhängigkeit von der

Substratkonzentration für 10 µl

Hydrogel (17% AA; 1% BIS) mit

54 mU GOx. Thiele–Modulus 20-

30.

_______________________________________________________________

125

4. Ergebnisse

Abbildung 44: Normierter Plot der

Reaktionsgeschwindigkeit in

Abhängigkeit von der

Substratkonzentration für 10 µl

pAA-Hydrogel (10% AA; 0,3%

BIS) mit 3,6 bzw. 36 mU GOx.

Thiele–Modulus 10-20 bzw. 20-50.

Abbildung 45: Normierter Plot der

Reaktionsgeschwindigkeit in

Abhängigkeit von der

Substratkonzentration für 10 µl

pAA-Hydrogel (10% AA; 0,5%

BIS) mit 3,6, 36 und 360 mU GOx.

Thiele–Modulus 5-10, 20-30 und

30—70.

Der Thiele-Modulus hängt von der Quadratwurzel der Enzymkonzentration ab

(Gleichung 57). Eine Verhundertfachung der Enzymkonzentration sollte demnach zu

einem um den Faktor 10 vergrößerten Thiele-Modulus führen. Für das Gel mit 3,6

mU kann man einen Wert des Thiele–Modulus von 5-10 abschätzen, für das Gel mit

360 mU einen Wert von 50-70, d.h. der Faktor 10 wurde annähernd gefunden.

_______________________________________________________________

126

4. Ergebnisse

Zur Aufklärung der Diskrepanz zwischen dem erwarteten (<<1) und abgeschätzten

Thiele-Modulus (>5) für die Hydrogelfäden wurden keine weiteren Versuche

unternommen. Vor allem bei höheren Enzymkonzentrationen im Hydrogelfaden

zeigte sich eine deutlich geringere Abhängigkeit der Produktbildung von der

Substatkonzentration als aufgrund des erwarteten Thiele-Modulus´ zu erwarten

gewesen wäre. Möglicherweise macht sich hier die Quellung des Gelfadens während

der Messung bemerkbar. Allerdings kann höchstens mit einer Verdoppelung des

Durchmessers und somit des Thiele-Modulus´ gerechnet werden. Die inhibitorische

Wirkung des Wasserstoffperoxyds, das im Hydrogel gebildet wird, auf die GOx-

Aktivität hingegen kann zu signifikant niedrigerer Poduktbildungsgeschwindigkeit v

und damit zu der beobachteten Abflachung der v/vmax-gegen-βe-Plots führen, wenn

vmax, wie hier, aus der Einwaage berechnet wird, und nicht aus der tatsächlich

vorliegenden Aktivität während der Messung (Produktinhibierung) [150]. Der Thiele-

Modulus allein reicht hier offenbar nicht aus, um das kinetische Verhalten der

biomimetischen Hydrogele zu beschreiben.

4.1.3 Halbwertszeiten

Die Halbwertszeit der katalytischen Aktivität der Hydrogelfäden, also die Zeitspanne,

die vergehen muss, bis ihre Fähigkeit zur Katalyse der Oxidation von Glukose mithilfe

von Sauerstoff, auf die Hälfte des ursprünglichen Niveaus abgesunken ist, ist in

erster Näherung von Diffusionseffekten unbeeinflusst. Auch eine fortschreitende

Produktinhibierung während der Messung, die Aussagen über den Aktivitätszustand

vor der Messung stören würde, schmälert die Aussagekraft der Halbwertszeit als

Stabilitätskriterium nicht. Die Stabilität wird durch die Angabe der Halbwertszeit eher

unterschätzt, denn ein sehr stabiles Enzympräparat wäre in Abwesenheit von

Produktinhibierung noch länger messbar stabil.

_______________________________________________________________

127

4. Ergebnisse

Gleichwohl reflektiert die Halbwertszeit im Gegensatz zur Denaturierungstemperatur

unmittelbar auf die Funktion des Enzyms, eben seine Fähigkeit zur Katalyse. Weil in

Biosensoren die Funktion des Enzyms (und nicht seine Struktur) genutzt wird, ist die

Halbwertszeit ein technologisch relevantes Kriterium.

Die Halbwertszeit lag für die unterschiedlichen Präparate bei 60°C zwischen einigen

Minuten und einigen Stunden, während sie bei Raumtemperatur im Bereich von

Wochen und Monaten liegt und bei 70°C und 80°C zu kurz war, um mit dem

verwendeten Testsystem (4 Minuten Messzeit) noch bestimmt werden zu können.

Für folgende Systeme wurden die Halbwertszeiten der enzymatischen Aktivität

deshalb bei 60 °C bestimmt:

- GOx in Puffer,

- GOx in 1 M NaCl,

- GOx in Puffer mit 150 bzw. 300 mg/ml Polyethylenglykol (PEG),

- GOx in Puffer mit 150 mg/ml Xylit bzw. Sorbit,

- GOx in Puffer mit Monomer Acrylamid

- GOx in Puffer mit Monomer HEMA

- GOx in Poly-Acrylamid Hydrogel

- GOx in Poly-Acrylamid Hydrogel mit 1 M NaCl

- GOx in Poly-Acrylamid Hydrogel mit PEG

- GOx in Poly-Acrylamid Hydrogel mit 50, 100, 150 mg/ml Ficoll™

- GOx in Poly-HEMA Hydrogel

_______________________________________________________________

128

4. Ergebnisse

4.1.3.1 GOx in Puffer

Abbildung 46: Relative Aktivität von GOx in 100 mM KH2PO4-Puffer in Abhängigkeit von der

Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der GOx in Lösung wurde mehrmals bestimmt (jeweils

durch Dreifachmessung aller Werte). Der gemittelte Wert lag bei 13±5 min.

_______________________________________________________________

129

4. Ergebnisse

4.1.3.2 GOx + NaCl

Abbildung 47: Relative Aktivität von GOx in 1 M NaCl in Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei

60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der GOx in Lösung mit 1M NaCl wurde zu 310 min

bestimmt.

_______________________________________________________________

130

4. Ergebnisse

4.1.3.3 GOx + PEG

Abbildung 48: Relative verbliebene Aktivität von GOx in Puffer plus 150 mg/ml PEG3000 in

Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der GOx in Lösung mit PEG3000 als Ko-Solvens wurde

zu 45±10 min für 150 mg/ml PEG und 150±30 min (nicht gezeigt) für 300 mg/ml PEG

bestimmt. Damit erwies sich PEG 3000 für GOx als Klasse 1 Stabilisator.

_______________________________________________________________

131

4. Ergebnisse

4.1.3.4 GOx + Sorbitol

Abbildung 49: Relative verbliebene Aktivität von GOx in Puffer plus 1M Sorbitol in Abhängigkeit von

der Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der GOx in Lösung mit 1M Sorbitol als Ko-Solvens wurde

zu 18±5 min bestimmt. Dies ist gegenüber dem Wert für Puffer (13±5 min) kaum

verlängert.

_______________________________________________________________

132

4. Ergebnisse

4.1.3.5 GOx + Xylitol

Abbildung 50: Relative verbliebene Aktivität von GOx in Puffer plus 1M Sylitol in Abhängigkeit von der

Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der GOx in Lösung mit 1M Sorbitol als Ko-Solvens wurde

zu 15±5 min bestimmt. Dies ist gegenüber dem Wert für Puffer (13±5 min) kaum

verlängert.

_______________________________________________________________

133

4. Ergebnisse

4.1.3.6 GOx in pAA-Hydrogel

Abbildung 51: Relative verbliebene Aktivität von GOx in 20%igem pAA-Hydrogel in Abhängigkeit von

der Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der Glukoseoxidase in dem pAA-Hydrogel wurde

mehrmals bestimmt (jeweils durch Dreifachmessung aller Werte). Der gemittelte Wert

lag bei 40±20 min.

Die Halbwertszeit in einem pHEMA-Hydrogel von vergleichbarer Konzentration lag

bei 30 min.

pAA- bzw. pHEMA-Hydrogele zeigen demnach einen milden Stabilisierungseffekt auf

die GOx.

_______________________________________________________________

134

4. Ergebnisse

4.1.3.7 GOx im pAA-Hydrogel + NaCl

Abbildung 52: Relative verbliebene Aktivität von GOx in 20%igem PolyAcrylamid-Hydrogel plus

1 M NaCl in Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der Glukoseoxidase in dem pAA-Hydrogel mit 1 M NaCl

wurde zu >500 min abgeschätzt.

_______________________________________________________________

135

4. Ergebnisse

4.1.3.8 GOx im pAA-Hydrogel + PEG

Abbildung 53: Relative verbliebene Aktivität von GOx in 20%igem pAA-Hydrogel plus 100 mg/ml

PEG3000 in Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der Glukoseoxidase in dem pAA-Hydrogel mit 10%

PEG3000 wurde zu 70±20 min bestimmt.

_______________________________________________________________

136

4. Ergebnisse

Abbildung 54: Relative verbliebene Aktivität von GOx in 20%igem pAA-Hydrogel plus 292 mg/ml

PEG3000 in Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei 60°C.

Die Halbwertszeit bei 60°C der Glukoseoxidase in dem pAA-Hydrogel mit 30%

PEG3000 wurde zu >400 min bestimmt.

_______________________________________________________________

137

4. Ergebnisse

4.1.3.9 GOx im pAA-Hydrogel + Ficoll™

Abbildung 55: Relative verbliebene Aktivität von GOx in 20%igem pAA-Hydrogel plus 50 mg/ml

FicollTM in Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei 60°C.

Abbildung 56: Relative verbliebene Aktivität von GOx in 20%igem pAA-Hydrogel plus 150 mg/ml

Ficoll in Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei 60°C.TM

_______________________________________________________________

138

4. Ergebnisse

Abbildung 57: Relative verbliebene Aktivität von GOx in 20%igem pAA-Hydrogel plus 250 mg /ml

FicollTM in Abhängigkeit von der Inkubationszeit bei 60°C

Die Halbwertszeit bei 60°C der Glukoseoxidase in dem pAA-Hydrogel mit 5% FicollTM

wurde zu 40 ±5 min bestimmt.

Die Halbwertszeit bei 60°C der Glukoseoxidase in dem pAA-Hydrogel mit 15%

FicollTM wurde zu 57 ±5 min bestimmt.

Die Halbwertszeit bei 60°C der Glukoseoxidase in dem pAA-Hydrogel mit 25%

FicollTM wurde zu 60 ±5 min bestimmt.

_______________________________________________________________

139

4. Ergebnisse

4.2 Denaturierungstemperaturen (konventionelle DSC)

Abbildung 58: DSC von GOx 10%, 1% und 0,1% in KH2PO4-Puffer, pH 7, 40 µl Probenvolumen

(Netzsch, DSC 204, µ-Sensor).

4.2.1 Einfluss der Heizrate

Tabelle 6: Einfluss der Heizrate auf die Bestimmung der Denaturierungstemperatur Tm von GOx.

Heizrate[K/min] Tm [°C] ∆H [J/g]

1

3

5

10

20

69

72

74

77

83

22

20

23

20

31

_______________________________________________________________

140

4. Ergebnisse

Abbildung 59: Thermogramme von GOx (40 µl, 5% (w/v), Perkin-Elmer DSC 7), aufgezeichnet mit

unterschiedlicher Heizrate. Es ist ersichtlich, wie sich die Denaturierungstemperatur Tm zu höheren

Werten verschiebt.

Abbildung 60: Einfluss der Heizrate (1, 3, 5, 10, 20 K/min) auf die Bestimmung der

Denaturierungstemperatur Tm von GOx (5% in 100 mM Phosphatpuffer).

_______________________________________________________________

141

4. Ergebnisse

4.2.2 Einfluss der Konzentration des Enzyms

Tabelle 7: Einfluss der Konzentration der GOx auf seine Denaturierungstemperatur.

[GOx] [%(w/v] Tm [°C] ∆H [J/g]

1

10

20

201

73

76

78

79

10

13

18

22

1 andere Messserie

4.2.3 GOx in Phosphatpuffer

Tabelle 8: Denaturierungstemperatur der GOx in Phosphatpuffer, Mehrfachmessung.

Probe Messung Tm [°C] ∆H [J/g]

5% GOx 1, 2

5% GOx

5% GOx

5% GOx

5% GOx

1

2

3

4

5

Mittelwert

72,0

72,0

72,2

73,0

71,9

72,2

18

26

19

25

31

24

1 (w/v), 2 in 100 mM KH2PHO4, pH 7.

_______________________________________________________________

142

4. Ergebnisse

4.2.4 GOx + GndHCl

Tabelle 9: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Abhängigkeit von der Konzentration von GndHCl;

Puffer 100 mM KH2PHO4; GOx 5% (w/v).

[GdnHCl] [M] Tm [°C] ∆H [J/g]

0

1

2

3

5

72

75

68

66

59

18

12

9

8

<1

4.2.5 GOx + NaCl

Tabelle 10: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Abhängigkeit von der Konzentration von NaCl;

Puffer 100 mM KH2PHO4; GOx 5% (w/v).

[NaCl] [M] Tm [°C] ∆H [J/g]

0 M

0,5M

1,0M

2,0M

72

81

82

83

24

24

15

16

_______________________________________________________________

143

4. Ergebnisse

4.2.6 GOx + PEG

Tabelle 11: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Anwesenheit von 20% Polyethylenglykol 3000;

Puffer 100 mM KH2PHO4; GOx 5% (w/v).

PEG [%] Tm [°C] ∆H [J/g]

0

20

72

85

24

31

Tabelle 12: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Anwesenheit von 30% Polyethylenglykol 3000,

Mehrfachmessung.

Probe Messung Tm [°C] ∆H [J/g]

5% GOx 1,2 Mittelwert 72,2 24

5% GOx + PEG 3

5% GOx + PEG

5% GOx + PEG

1

2

3

84,5

75,0

84,5

32

16

31

5% GOx + PEG Mittelwert 81,3 26

5% GOx + PEG Mittelwert4 84,5 32

1 (w/v), 2 in 100 mM KH2PHO4-Puffer, 330% (w/v), 4ohne Messung 2 (Ausreißer)

_______________________________________________________________

144

4. Ergebnisse

4.2.7 GOx + Dextran

Tabelle 13: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Anwesenheit des polymeren Zuckers Dextran;

Puffer 100 mM KH2PHO4; GOx 5% (w/v).

Dextran [%(w/v)] Tm [°C] ∆H [J/g]]

0

1

5

10

20

30

40

72

75

75

76

90

90

93

18

17

14

12

9

17

12

4.2.8 GOx + Monomer Acrylamid

Tabelle 14: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Anwesenheit des Monomers Acrylamid,

Messung erfolgte nach 20 h Inkubationszeit bei 4°C

AA [%(w/v)] Tm [°C] ∆H [J/g]

0

10

20

72

54

n.b1.

13

6

n.b.

1 nicht bestimmbar (kein deutlicher Peak)

_______________________________________________________________

145

4. Ergebnisse

4.2.9 GOx in pAA-Hydrogel

Tabelle 15: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in pAA-Hydrogel unterschiedlichen Polymergehalts

pAA [%(w/v)] Tm [°C] ∆H [J/g]

0

10

20

30

40

50

50

72

77

65

n.b.1

80

76

77

13

10

14

n.b.

3

8

7

1 nicht bestimmbar (kein deutlicher Peak)

Tabelle 16: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in 20% pAA-Hydrogel, Mehrfachmessung.

Probe Messung Tm [°C] ∆H [J/g]

5%1 GOx in pAA 2

5% GOx in pAA

5% GOx in pAA

5% GOx in pAA

5% GOx in pAA

5% GOx in pAA

5% GOx in pAA

5% GOx in pAA

1

2

3

4

5

6

7

8

77,0

75,9

74,2

75,5

74,8

72,5

72,4

75,7

17

17

17

17

19

20

24

16

5% GOx in pAA Mittelwert 75 18

1 (w/v), 2 20% (w/v)

_______________________________________________________________

146

4. Ergebnisse

4.2.10 GOx + Monomer HEMA

Tabelle 17: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Anwesenheit des Monomers HEMA, Messung

erfolgte nach 20 h Inkubationszeit bei 4°C.

HEMA [%(w/v)] Tm [°C] ∆H [J/g]

0

10

101

15

20

30

301

40

502

72

61

69

59

59

58

67

59

72

18

13

20

10

12

11

37

10

17

1 andere Messserie, 2 die Lösung zeigte Trübung von Enzymniederschlag

_______________________________________________________________

147

4. Ergebnisse

4.2.11 GOx in pHEMA-Hydrogel

Tabelle 18: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in pHEMA-Hydrogel unterschiedlichen

Polymergehalts.

pHEMA [%(w/v)] Tm [°C] ∆H [J/g]

0

10

15

20

25

30

35

40

45

501,2

72

77

75

72

69

69

67

70

68

79

18-24

13

12

9

8

10

8

11

9

16

1 andere Messserie,2 Gel zeigte Trübung von ausgefallenem Enzym

_______________________________________________________________

148

4. Ergebnisse

4.2.12 GOx in pHEMA-Hydrogel + NaCl

Tabelle 19: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in pHEMA-Hydrogel (25%) unterschiedlichen

Gehalts an NaCl.

NaCl [M] Tm [°C] ∆H [J/g]

0

0,5

1

2

72

79

83

82

18-24

16

15

13

_______________________________________________________________

149

4. Ergebnisse

4.2.13 GOx in pAA-Hydrogel + PEG

Tabelle 20: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in pAA-Hydrogel +

30% PEG3000.

Probe Messung # Tm [°C] ∆H [J/g]

5%1 GOx2 Mittelwert 72 17

5%1 GOx2 in pAA3 Mittelwert 75 18

5%1 GOx2 in pAA 3 + PEG 4

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

5% GOx in pAA + PEG

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

86,2

85,4

85,0

85,2

85,2

85,0

85,0

86,2

85,2

85,2

6

7

7

7

7

5

5

8

3

4

5% GOx in pAA + PEG Mittelwert 85,4 6

1 (w/v), 2 in 100 mM KH2PHO4-Puffer, pH 7, 3 20%(w/v), 4 30% (w/v)

_______________________________________________________________

150

4. Ergebnisse

4.2.14 GOx in pAA-Hydrogel + Ficoll™

Tabelle 21: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in pAA-Hydrogel in Anwesenheit von 250 mg/ml

Ficoll™.

Probe Messung # Tm [°C] ∆H [J/g]

5%1 GOx2 Mittelwert 72 17

5%1 GOx2 in pAA3 Mittelwert 75 18

5%1 GOx2 in pAA3 + Ficoll4

5% GOx in pAA + Ficoll

5% GOx in pAA + Ficoll

5% GOx in pAA + Ficoll

5% GOx in pAA + Ficoll

5% GOx in pAA + Ficoll

5% GOx in pAA + Ficoll

5% GOx in pAA + Ficoll

1

2

3

4

5

6

7

8

81,4

82,0

82,7

81,7

80,8

81,4

81,9

80,4

6

9

11

3

8

7

5

9

5% GOx in pAA + Ficoll Mittelwert 81,5 7

1(w/v), 2in 100 mM KH2PHO4-Puffer, pH 7, 320%, 4250 mg/ml.

_______________________________________________________________

151

4. Ergebnisse

4.2.15 Vermischtes

Tabelle 22: Denaturierungstemperatur Tm von GOx in Pulverform1 bzw. mit Restfeuchte2 sowie dreier

weiterer Enzyme zum Vergleich.

Probe Tm [°C] ∆H [J/g]

GOx Lyophilisat1 + Siliconöl 58,2 1,7

Siliconöl - -

GOx im Tiegel eingetrocknet2 80 5

Myoglobin 78 16

Katalase 93 18

Lysozym 5% pH 5,2 78 25

4.3 Thermogramme (Nano-Kalorimeter)

4.3.1 Flüssigkristall MH24

Abbildung 61. Nano-Thermogramm MH 24. Rohdaten. Der erste Peak (nach der Kalibrierungsmarke

von 7,5 µW) bei ca. 4000 Pt (1pt=1/10 s) ist das Schmelzen des bei Raumtemperatur festen

Flüssigkristalls, dessen Energie den Rahmen der Aufzeichnung überschreitet. Die weiteren Peaks

zeigen die Umwandlung des smektischen Flüssigkristalls in eine nematische Phase bei 67°C und

deren weitere Umwandlung in die isotrope Flüssigkeit bei 80°C. Gezeigt sind zwei Aufheiz-

Abkühlungs-Zyklen.

_______________________________________________________________

152

4. Ergebnisse

Abbildung 62: Thermogramm des Flüssigkristalls 4´-Oktyloxy-biphenyl-4-carbonitril (MH-24) im

Abkühlmodus. Umwandlungs-Enthalpie flüssig nach nematisch bei 80°C ∆H = 220 µJ/100 nl eff. und

nematisch nach smektisch A bei 67°C ∆H =29 µJ/ 100 nl eff. Der dritte Peak ist die Kalibrierungsmarke

von 7,5 µW.

Tabelle 23: Enthalpie der Phasenumwandlungen von MH 24. In Klammern die Erwartungswerte für

100 nl Probe (Veff.). Zum Vergleich die Enthalpie der Denaturierung von 1 µg GOx und des

Schmelzens von 1 µg Wasser.

Impuls Fläche [µJ]

Peak 1 (l→n) 227,5 (220)

Peak 2 (n→smA) 14,9 (29)

Peak 3 (Kal.) 75

1 µg Protein (N→D) 30

1 µg Wasser (s→l) 334

_______________________________________________________________

153

4. Ergebnisse

4.3.2 DMPC (Dimyristoyl–Lecithin)

Abbildung 63: Zweikanal-Thermogramm von DMPC Multilagen-Vesikeln (0,75% in Wasser,

Umwandlungs-Enthalpie ∆H=285 µJ/100 nl. Die Bestimmung der Temperaturdifferenz erfolgte

zweifach, rechts und links der Membran. Verstärkung 500- bzw. 800fach.

_______________________________________________________________

154

4. Ergebnisse

4.3.3 GOx in Lösung und im Hydrogel

Abbildung 64: Zweikanal-Thermogramm von GOx (3%) in 100 mM KH2PO4 Puffer, pH 7,2.

Umwandlungs-Enthalpie 50 µJ/100 nl (3 µg Enzym). Die Bestimmung der Temperaturdifferenz erfolgte

zweifach, rechts und links der Membran. Verstärkung 500- bzw. 800fach.

Abbildung 65: Zweikanal-Thermogramm von GOx (4%) in pAA-Hydrogel. Umwandlungs-Enthalpie 68

µJ/100 nl (4 µg Enzym). Die Bestimmung der Temperaturdifferenz erfolgte zweifach, rechts und links

der Membran. Verstärkung 500- bzw. 800fach.

_______________________________________________________________

155

4.4 Zusammenfassung der Halbwertszeitmessungen und der

Denaturierungstemperaturen

4. Ergebnisse

Die verwendeten Ko-Solventien lassen sich qualitativ im Hinblick auf ihre GOX-

stabilisierende Wirkung in folgender Reihe ordnen:

DextranNaClpAAPEGpAANaClPufferFicollpAAPEGPufferpAA

pHEMASorbitXylitPufferPrecursorGndHCl

<+<+≈+<+<+<≈

<≈≈<<

Abbildung 66: Zwischen der Denaturierungstemperatur Tm und der Halbwertszeit der enzymatischen

Aktiviät τ1/2 des Enzyms GOx in unterschiedlichen Ko-Solventien zeigte sich eine positive Korrelation.

Die durchgezogenen Linien entsprichen den Werten im Referenzmedium 100 µM Phosphat-Puffer, pH

7,2.

_______________________________________________________________

156

4. Ergebnisse

Tabelle 24: Halbwertszeiten und Denaturierungstemperaturen von GOx in unterschiedlichen Medien. 110% (w/v), 230% (w/v), 3100 mM KH2PHO4, pH 7.

Ko-Solvens τ1/2 [min] Tm [°C]

GndHCl 5M - 59

Monomer AA1 - 54

Monomer HEMA2 - 58

Wasser3 13 72

Xylit 1M 15 -

Sorbit 1M 18 -

pHEMA 20% 30 72

pAA 20% 40 75

pAA+Ficoll™ 250 mg/ml 61 82

PEG 30% 150 85

NaCl 1M 300 83

pAA+PEG 30% >400 85

pAA+NaCl 1M >500 82 (pHEMA)

Dextran 40% - 93

_______________________________________________________________

157

5. Diskussion

5. Diskussion Zur Charakterisierung des GOx-Präparates wurden zunächst die kinetischen

Konstanten des Enzyms bestimmt. Dazu wurde die Reaktionsgeschwindigkeit der

Glukoseoxidation für unterschiedliche Glukosekonzentrationen im Bereich zwischen

10 und 100 mM bestimmt. Es ergab sich eine Michaelis-Menten Konstante für

Glukose von 22 mM, in guter Übereinstimmung mit den Literaturwerten. Die

spezifische Aktivität betrug ca. 130 U/mg. Die Abschätzung des Thiele Modulus für

die Hydrogelfäden mit 60 µm Durchmesser und einer Enzymbeladung von 50 mU/10

µl ergab Werte für den Thiele-Modulus von 0,02-0,2 je nach Diffusionskoeffizient im

pAA-Hydrogel für Glukose, der mit 10% bzw. 0,1% des Wertes in Wasser angesetzt

wurde [151-154]. Für einen Thiele-Modulus < 1 sind Diffusionseinflüsse

vernachlässigbar und die Reaktion kann als kinetisch kontrolliert angesehen werden.

Experimentell zeigten die Hydrogele aber durchweg einen deutlich höheren Thiele-

Modulus zwischen 10 und 50 (Abbildung 43-45). Die Diskrepanz könnte ein Hinweis

auf die Akkumulation des Reaktionsproduktes und GOx-Inhibitors

Wasserstoffperoxyd zurückzuführen sein. Nicht berücksichtigt wurde ferner, dass bei

Vorliegen von Diffusionseinflüssen mit einer scheinbaren Verlängerung der

Halbwertszeit zu rechnen ist [155].

Die Durchführung des Stress-Aktivitätstests bei 60°C erlaubt eine kürzere Messzeit

und ermöglicht reproduzierbarere Messwerte als bei Raumtemperatur oder 37°C. Die

Aussagen des Stress-Aktivitätstests (Halbwertszeiten bei 60°C) über die katalytische

Stabilität der GOx sollten, als relative Größen verstanden, von eventueller

Inhibierung durch Wasserstoffperoxyd weniger beeinflusst sein, wenn angenommen

werden kann, dass diese unter den Bedingungen des Stress-Aktivitätstests

hinreichend konstant sind.

In hohen Konzentrationen (1-5%) ist die Bestimmung der Denaturierungstemperatur

Tm auch mit herkömmlichen DSC Geräten möglich. Eines der modernsten

_______________________________________________________________ 5. Diskussion

158

herkömmlichen DSC Geräte ist die DSC 204 von Netzsch, die mit dem µ-Sensor eine

kalorimetrische Empfindlichkeit von 40-65 mV/W hat. Das entspricht in der

Bestimmung der Wärmekapazität einer Empfindlichkeit von 30 mJg-1K-1 [156]. Die

Messungen zeigten, dass GOx in 100 mM Phosphatpuffer, pH 7,0 bei 75-77 °C

denaturiert mit einer Denaturierungsenthalpie von 28-34 Jg-1 (Abbildung 58). Der

Wert der Denaturierungsenthalpie liegt damit im Erwartungsbereich für globuläre

Proteine, der 30-40 Jg-1 beträgt. Die Messungen zeigten weiter, dass die

Denaturierung der GOx im DSC Experiment zumindest bei hohen Konzentrationen

ein kinetisch kontrollierter Prozess ist, d.h. dass die Tm-Bestimmung abhängig ist von

der Heizrate und dass der Prozess wenigstens teilweise irreversibel ist (Abbildung 34

und 35). Trotz dieser Irreversibilität können aus den DSC Messungen

thermodynamische Parameter gewonnen werden [133,157]. Des weiteren machen

sie deutlich, dass die Empfindlichkeit in DSC-Experimenten von der Heizrate

abhängig ist. Das kommt der Nano-Kalorimetrie mit Membran-Chips zugute, die im

quasi—adiabatischen Modus Heizraten von bis zu 104 Ks-1 ermöglicht [158-163].

Am Frauenhofer-Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg wurde ebenfalls

ein hochempfindliches, schnelles Differenzial-Nano-Kalorimeter zur Untersuchung

biologischer Systeme entwickelt. Es handelt sich um ein Kapillar-Mikrosystem,

welches somit auf die Untersuchung fließfähiger Proben begrenzt ist. Mit diesem

Kalorimeter ist die Detektion des Schmelzens von Lipidmembranen demonstriert

worden [159], nicht aber das Denaturieren eines Proteins.

In Nano-DSC Anwendungen zeigt sich das Schmelzen als oberflächen-initiierter

Prozess. Durch die hohe Auflösung ist die Monolagenempfindlichkeit erreicht und

frühe Phasen der Filmbildung konnten anhand der Schmelzpunkterniedrigung von

metallischen Nano-Partikeln (Indium-Clustern von 2—4 nm Durchmesser) mit sehr

hohen Heizraten (106 Ks-1) beobachtet werden Das von Efremov et al. vorgestellte

Kalorimeter bestand aus einem einfachen Nickelstreifen, der gleichzeitig als Heizer

_______________________________________________________________

159

5. Diskussion

und als resistiver Temperatursensor diente. Die Indium-Cluster zeigten periodische

Maxima in der gemessenen Wärmekapazität entsprechend der Partikelgröße, die

sich durch Zuwachs einer Monolage von 0,24 nm unterschied [160]. Dieselbe

Arbeitsgruppe hat gezeigt, dass die Größe von Wassertropfen von 1- 100 nl durch die

Verdunstungswärme mit ihrem Nano-Kalorimeter messbar ist [161].

Denlingers frühes Nano-Kalorimeter hat eine Addenda von nur 4*10-6 JK-1 und er

konnte damit Proben von wenigen µg messen [162].

Die physikalische Grenze der Temperaturmessung wird bestimmt durch das Nyquist-

Rauschen, das ca. 10 µK beträgt [163].

Für viele Proteine ist gezeigt, dass stabilisierende Ko-Solventien aus der Sphäre des

Proteins verdrängt und nicht etwa gebunden sind. Im Konzept der bevorzugten

Wechselwirkung und der Verdrängung wird Ionen-Bindung als modifizierender Faktor

berücksichtigt [56]. Der ausgesprochen saure Charakter der GOx mit seiner

ausgeprägt negativen Oberfläche mag dazu führen, dass Ionen-Bindung zum

dominierenden Faktor in der Stabilisierung durch Salze wird. Zum Beleg sind aber

Gleichgewichtsdialysemessungen, NMR- oder Lichtstreuungsmessungen nötig.

Diese Messmethoden sprechen direkt auf Kontakte zwischen Protein und Ko-Solvens

an [66].

Gouda et al. haben die thermische Deaktivierung von GOx in Anwesenheit von NaCl,

K2SO4 und dem basischen Enzym Lysozym untersucht und geben Werte für die

Halbwertszeit bei 60°C und die Deaktivierungsenergien an: native GOx: τ1/2 13 min;

Ed 250 kJ/mol; 1 M NaCl stabilisierte GOx: τ1/2 434 min; Ed 320 kJmol-1 [164]. Diese

Werte stimmen mit den von uns gemessenen Werten von 13±5 min für das

unstabilisierte und 310 min für das NaCl stabilisierte gut überein.

Gulla et al. untersuchten den Zusammenhang zwischen der

Denaturierungstemperatur und der Halbwertszeit der biologischen Aktivität von

_______________________________________________________________ 5. Diskussion

160

Glutardialdehyd vernetzen GOx-Membranen in Anwesenheit verschiedener

Stabilisatoren, darunter NaCl, K2SO4 und dem positiv geladenen Aminoglycosid-

Antibiotikum Kanamycin. Des weiteren zeigten sie, dass NEM-Derivatisierung von

Thiol-Gruppen in der GOx stabilisierend wirkt. Für diese Stabilisatoren und

Kombinationen von ihnen bestimmten sie die Tm und die Halbwertszeit bei 70°C.

Tm-und τ½-Werte lagen im Bereich von 75°C und 270 min für das immobilisierte

unstabilisierte Enzym, 78°C und 900 min für das NaCl stabilisierte und 84°C und

6000 min für das immobilisierte thiol-modifizierte und K2SO4 stabilisierte Enzym. Die

beiden Parameter Tm und τ½ zeigten auch hier einen positiven Zusammenhang [165].

Polyethylenglykol, PEG ([CH2CH20]nOCH2CH2OH), zeigt ungewöhnliche

Eigenschaften in der Wechselwirkung mit Wasser. PEG hat eine ungewöhnlich hohe

Löslichkeit in Wasser, während die Homologen mit einer Methylengruppe mehr,

Polypropylenoxid, bzw. einer Methylengruppe weniger, Polymethylenoxid, hydrophob

sind und in Wasser unlöslich. PEGs haben also einen gewissen hydrophoben

Charakter, der sich z.B. darin zeigt, dass PEGs wie Amphiphile an der Wasser/Luft

Grenzfläche spontan Monolagen ausbilden. PEGs gelten nichts desto trotz als

hydrophile Polymere, die von Proteinen abgestoßen werden und vielfach eingesetzt

werden als proteinabweisende Überzüge von biomimetischen Oberflächen [166].

Proteine, die mit PEGs kovalent modifiziert wurden, zeigen eine erhöhte

Lebensdauer und erniedrigte Antigenizität in vivo, was auf eine Verringerung der

Wechselwirkung mit anderen biologischen Makromolekülen und ihrer Aggregation

zurückgeführt wurde [167]. PEGs unterschiedlichen Molekulargewichts (200-20000)

stabilisieren GOx gegen thermische Deaktivierung. Für Konzentrationen von 300

mg/ml wurden Verlängerungen der Halbwertszeit auf das 20-fache beobachtet [91].

In Begriffen der bevorzugten Wechselwirkung wird die Wirkungsweise von PEG auf

die Proteinstabilität folgenderweise erklärt: Polyethylenglykol ist als voluminöses Ko-

Solvens vom nativen Protein vorzugsweise verdrängt, aufgrund seines partiell

_______________________________________________________________

161

5. Diskussion

hydrophoben Charakters vom denaturierten Protein aber vorzugsweise gebunden.

Das Gleichgewicht zwischen nativer und denaturierter Form wird auf die Seite der

Denaturierung verschoben (Klasse 2 Destabilisator) [58-61].

Dem stark geladenen, stark hydrophilen Protein GOx gegenüber zeigte sich PEG in

der vorliegenden Untersuchung als Klasse1 Stabilisator. Für weniger stark geladene

Proteine macht sich aufgrund von sterischer Verdrängung die Bindung an die

hydrophobere denaturierte Konformation bemerkbar, so dass PEG wegen seiner

partiellen Hydrophobizität im Allgemeinen ein Klasse 2 Destabilisator ist.

GndHCl ist ein Klasse 3 Destabilisator. Durch Zugabe von 2 M GndHCl wird die

Denaturierungstemperatur von GOx um ca. 7°C gesenkt [62,168]. Ähnliches zeigte

sich auch in der vorliegenden Untersuchung: 2M GndHCl senkte die Tm um 4°C. 5 M

GndHCl senkte die Tm von GOx um 13°C. GndHCl kann benutzt werden, um den

Temperaturbereich der Denaturierung hochschmelzender Proteine zu senken, was in

der Nano-Biokalorimetrie von Vorteil ist.

Für die Enzyme α-Chymotrypsin, Chymotrypsinogen und RNAse, die zum

Standardrepertoire der physikalischen Biochemie gehören, wurde gezeigt, dass ihre

Denaturierung in Sucrose-Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen bei

annähernd derselben Oberflächenspannung einsetzt, bei veränderter Tm [56].

Polyole sind bekannt für ihre Eigenschaft, die Schmelztemperatur von Proteinen zu

erhöhen [169]. Sorbitol von 2 molarer Konzentration erhöht die Schmelztemperatur

von Lysozym bei pH 7,0 um 12 °C, während Xylitol bei derselben Konzentration die

Tm um 8°C erhöht [170,171].

Es konnte gezeigt werden, dass die stabilisierende Wirkung mit der Anzahl der –

CHOH Gruppen zunimmt. Polyole führen zu bevorzugter Hydratation der Proteine.

Diese bevorzugte Hydratation geht auf die Erhöhung der Oberflächenspannung des

Wassers durch diese Substanzen zurück. Der Oberflächenspannungseffekt wird als

ein dominierender Faktor der Stabilitätsbeeinflussung durch Lösungsmittel

_______________________________________________________________ 5. Diskussion

162

beschrieben. Inositol erhöht Tm stärker als Sorbitol/Xylitol. Ebenso ist der Trend bei

der Bewahrung der Aktivität. Es deutet sich eine Korrelation an. Die Bewahrung der

Aktivität in Abhängigkeit von der Konzentration legt nahe, dass diese Substanzen in

unspezifischer Weise ihre Wirkung entfalten und das der Effekt wesentlich

wasservermittelt ist.

Polyhydroxy-Verbindungen haben einen stabilisierenden Einfluss auf GOx. Vor allem

für Polyole mit 4 (Erythritol), 5 (Xylitol) und 6 (Sorbitol) Hydroxyl-Gruppen wurde

dieser konzentrationsabhängige Stabilisierungseffekt gezeigt. Für 4 M Xylitol wurde

ein Verlängerung der Halbwertszeit auf das 20- bis 25-fache beobachtet. Während

Ethylenglykol mit nur 2 Hydroxyl-Gruppen keinen Stabilisierungseffekt zeigt [98].

In unseren Messungen konnte für Xylit und Sorbit in Konzentrationen von 1 M keine

Stabilisierung der GOx-Aktivität beobachtet werden.

Dextran zeigte den stärksten Einfluss auf die Denaturierungstemperatur Tm. von

GOx. In 40% Dextran betrug die Tm-Erhöhung 21°C. Nach Gleichung 63 bedeutet

dies eine 14-fache Lebensdauer.

Die Möglichkeit einer Parallelführung der beiden Messgrößen Tm und τ½ ist eine ad

hoc Annahme, die ihrer theoretischen Grundlage noch harrt. Allerdings sprechen

verschiedene experimentelle Ergebnisse der letzen Jahre, vor allem Untersuchungen

von Proteinen aus Thermophilen, erste theoretische Ansätze (Abbildung 20) sowie

die vorgestellten eigenen Messungen der beiden Größen für die GOx (Abbildung 67)

für einen Zusammenhang von Tm und τ½:

Die Parametrisierung von Robertson und Murphy hat zum Ergebnis, dass es eine

Temperatur maximaler Stabilität für alle Enzyme gibt und das diese T´ bei 10°C bzw.

20°C liegt, je nachdem, ob der Datensatz kälte-adaptierte Proteine beinhaltet oder

nicht [172]. Diese Beobachtung hat einige Implikationen. Augenscheinlich ist, dass

Proteine mit höherer Tm dazu neigen, eine größere Stabilität bei der Temperatur

maximaler Stabilität ∆G(T´) zu besitzen (Abbildung 12). Dies ist zwar naheliegend,

_______________________________________________________________

163

5. Diskussion

aber es gibt zunächst keinen Grund, dass dies so sein müsse. Wenn typischerweise

erhöhte Thermostabilität nicht durch Verschiebung oder einfache Verbreiterung der

Stabilitätskurve erreicht wird, sondern durch ihre Anhebung, wobei die Temperatur

maximaler Stabilität annähernd konstant bleibt, liegt es nahe, eine Korrelation

zwischen der Halbwertszeit τ1/2(60°C) und der Denaturierungstemperatur Tm von

GOx in unterschiedlichen Medien anzunehmen und eine Parallelführung von Tm und

τ½ zu versuchen.

Abbildung 67: Approximierter Stabilitätsparameter ∆G(T´) in Abhängigkeit von Tm von GOx in den

untersuchten Medien. Der Stabilitätsparameter ∆G(T´) wurde nach Gleichung 62 aus den

Halbwertszeiten berechnet. Die blaue Linie stellt die Parametrisierung nach Gleichung 60 dar. Die

Parameter F60 und C60 in Gleichung 62 ergaben sich durch Fit an diese Parametrisierung. 1/F60=1200

[minmolkJ-1]; C60=0,3 [kJmol-1].

Die Variierung der beiden empirischen Parameter F60 und C60 in Gleichung 62, durch

die Halbwertszeiten in Werte von ∆G(T´) überführt werden, führte zu folgenden

Werten der GOx bei 60°C: 1/F60=1200 minmolkJ-1, C60=0,3 kJmol-1. Der

entsprechende Fit ist in Abbildung 67 gezeigt.

_______________________________________________________________ 5. Diskussion

164

Kumar et al. haben auf der Grundlage von Stabilitätskurven einer Auswahl von 31

Proteinen ebenfalls eine positive Korrelation zwischen der Freien Enthalpie bei der

Temperatur maximaler Stabilität ∆G(T´), die in ihrem Datensatz nicht besonders an

Kälte adaptierter Proteine im Mittel bei 293 ±8 K lag, und der

Denaturierungstemperatur Tm gefunden. Die Steigung des linearen Fits betrug 7,5

Jmol-1K-1. Dieser Wert ist gut vergleichbar mit der linearen Korrelation des

Datensatzes von Rees et al., der 8,4 Jmol-1K-1 beträgt [107,172].

Unter der praktischen Vorgabe, dass die Freie Energie bei der Temperatur maximaler

Stabilität ∆G(T´) ein Mass für die Lebensdauer der katalytischen Stabilität sein soll,

die sicher nur bei bekannten Inhibitorkonzentrationen sowie hinreichender Stabilität

gegen irreversiblen Aktivitätsverlust durch Aggregation etc., geeignet ist, kann diese

Korrelation zur Berechnung der Lebensdauer der katalytischen Aktivität aus der

Denaturierungstemperatur mittels Gleichung 63 benutzt werden. Es ergibt sich als

rule of thumb, dass eine Erhöhung der Denaturierungstemperatur Tm von GOx, die

unstabilisiert in Lösung eine Halbwertszeit bei 60°C von 13±5 min hat, um 1°C mit

einer Verlängerung der Halbwertszeit der katalytischen Funktion um ca. 10 min

einhergeht.

6. Ausblick Die Bestimmung der inhärenten kinetischen Konstanten von GOx in den Hydrogelen

wurde nicht durchgeführt, obwohl Einflüsse der Mikroumgebung auch auf Km und kcat

der GOx zu erwarten waren. Die experimentelle Bestimmung der inhärenten

kinetischen Eigenschaften eines heterogen immobilisierten Enzyms könnte zukünftig

durch die Benutzung einer Diffusionszelle gelingen [173].

Die Miniaturisierung und damit verbunden der geringe Materialbedarf sind in der

Biokalorimetrie ein großer Vorzug [174,175]. Weiterführende Arbeiten könnten der

_________________________________________________________________ 6. Ausblick

165

Kalibrierung des Nano-Kalorimeters dienen. Dabei könnte die Besonderheit des

vorgestellten Nano-Kalorimeters genutzt werden, die Temperaturmessung an fünf

verschiedenen Positionen des Chip zu ermöglichen. Die Möglichkeit zur dreifachen

entkoppelten Temperaturmessung ist möglicherweise schon ausreichend, um ein

einfaches thermisches Ersatzschaltbild zu parametrisieren und so ein berechenbares

Model als Grundlage der Kalibrierung des Nano-Kalorimeters auch im nicht-

adiabatischen Modus zu gewinnen. Diese Möglichkeit besteht bei Nano-

Kalorimetern, die Thermopiles als Temperatursensoren verwenden, so einfach nicht,

weil hier die Temperaturmessung stets differenziell ist [174-179].

Die Aufklärung der Mechanismen der Stabilisierung von GOx durch Ko-Solventien

wie NaCl oder PEG wird durch unterschiedliche Techniken gefördert: Dynamische

Lichtstreuung, NMR, Gleichgewichtsdialyse, Densiometrie und Thermoanalyse.

Privalov und Timasheff haben die Anzahl von auf der Oberfläche von Proteinen

gebundenen Wasser- und Ko-Solvensmolekülen mittels DSC und

Gleichgewichtsdialyse mit einer Genauigkeit von etwa einem Molekül bestimmt.

Beide Methoden ergaben für ausgewählte Proteine nahezu identische Werte [180-

184].

Eine vollständige Beschreibung der Thermodynamik der bevorzugten

Wechselwirkung von NaCl bzw. PEG und GOx, die durch Miniaturisierung der DSC-

Technik erleichtert ist, kann zur Aufklärung der Frage beitragen, ob PEG3000 auf der

Oberfläche von GOx gebunden ist oder ob diese Bindung aufgrund deren

ausgeprägter Hydrophilie verhindert ist und ob es Bindungsstellen für monovalente

Kationen wie z.B. Na-Ionen auf dieser Oberfläche gibt (Abbildung 69 und 70). Die

Analyse der DSC-Daten konzentriert sich auf die energetische Distanz zwischen der

nativen und der denaturierten Konformation, während etwa die Gleichgewichtsdialyse

die absoluten Werte der bevorzugten Bindung und damit die chemischen Potentiale

jeweils für das native und das denaturierte Protein separat liefert.

__________________________________________________________________ 6 Ausblick

166

Abbildung 68: Ist

PEG3000 an GOx

spezifisch gebunden?

Abbildung 69: Sind Na-

Ionen auf der Oberfläche

von GOx spezifisch

gebunden?

Chipbasierte Kalorimeter von der vorgestellten Bauart mit einer

temperatursensortragenden Membran können in der Untersuchung der

Thermodynamik biologischer Makromoleküle ihren augenscheinlichsten Vorzug zur

Geltung bringen, ihre Winzigkeit. Nur wenige Substanzen sind von so großem

_________________________________________________________________ 6. Ausblick

167

Interesse für die Forschung bei gleichzeitig so begrenzter Verfügbarkeit wie einige

Proteine bzw. Enzyme sowie ihre Liganden. Enormer Aufwand ist nötig um z.B.

einige Mikrogramm eines Transkriptionsfaktors aus Zellkernen von pflanzlichen oder

tierischen Zellen in hoher Reinheit zu isolieren. Wenn erst die Mikrotechnik die

benötigten Messgeräte en miniature bereitstellt, lassen sich aufgrund der

umfassenden Informationen, die sich aus der thermodynamischen Charakterisierung

der Bindung von biologischen Makromolekülen untereinander, z.B. der Bindung eines

Fettsäuremoleküls an einen Transkriptionsfaktor und dieses Komplexes wiederum an

seine spezielle DNA-Sequenz, ergeben, Einblicke in die Komplexität biologischer

Regulation (Metabolomik) gewinnen.

________________________________________________________ 7. Literaturverzeichnis

168

7. Literaturverzeichnis

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________________________________________________________ 7. Literaturverzeichnis

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