Volumeneffekte und Wechselwirkungen bei der Proteinadsorption an wässrig-festen Grenzflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen des Projekts durchgeführten Untersuchungen haben eine Reihe neuer Einblicke in die Wechselwirkung von Proteinen mit Grenzflächen geliefert, die sich wie folgt zusammenfassen lassen: • Durch Druck wird der Adsorptionsgrad gesteigert, was auf ein negatives Adsorptionsvolumen hindeutet. Die experimentellen Daten liefern Werte in der Größenordnung von etwa -5 mL mol^-1 für Lysozym und etwa -35 mL mol^-1 für SNase. • Für Lysozym wurde gefunden, dass der Druckeffekt auf den Adsorptionsgrad für hydrophile und hydrophobe Grenzflächen ähnlich ist, so dass die Ursache für den Druckeffekt wahrscheinlich mit der Konformationsstabilitäl zusammenhängt. Einen Druckeffekt auf die Stärke der Wechselwirkungen, wie des hydrophoben Effekts, lassen die Messungen dagegen nicht erkennen. Obwohl Druck die Stärke hydrophober Wechselwirkungen verringern sollte, nimmt an einer Wasser-Polyslyrol-Grenzfläche die adsorbierte Proteinmasse mit dem Druck zu. • Auch Messungen in Gegenwart von Cosolventien stehen in Einklang mit der Idee, dass die Konformationsstabilität eines Proteins dessen Adsorptionsgrad entscheidend beeinflusst. • Alle Messungen deuten somit auf ein einfaches Prinzip hin: Die Entfaltungs-Gibbs-Energie ∆Gunf eines Proteins hängt mit der Grenzflächenaffinität des Proteins zusammen. Wird ∆Gunf gesenkt (z. B. durch Druck) steigt der Adsorptionsgrad, wird ∆Gunf angehoben (z. B. durch Sucrose) sinkt der Adsorptionsgrad. • Im adsorbierten Zustand wird das p,T-„Phasengebiet" des gefalteten Proteins stark eingeschränkt. Sowohl der Entfaltungsdruck als auch die Entfaltungslemperatur werden stark reduziert. • Die Ermittlung der Sekundärstruktur im Verlauf der Entfaltung adsorbierter Proteine deutet darauf hin, dass der Entfaltungspfad (zumindest hinsichtlich der Sekundärstruktur) durch die Wechselwirkung mit Kieselgel-Teilchen nicht wesentlich verändert wird. Die Veränderungen der Sekundärstrukturelemente finden nur schon bei niedrigeren Temperaturen und Drücken statt, wodurch sich in einfacher Weise adsorptionsinduzierte Konformationsänderungen erklären lassen. • Letztlich wird auch das Aktivierungsvolumen von Enzymen durch die Adsorption an wässrig-festen Grenzflächen beeinflusst. In einzelnen Fällen kann durch Anwendung von Druck die enzymalische Aktivität von Enzymen auf Trägerteilchen gesteigert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Reduced protein adsorption by osmolytes. Langmuir 27 (2011) 6995-7001
F. Evers, R. Steitz, M. Tolan, C. Czeslik
- High pressure sample cell for total internal reflection fluorescence spectroscopy at pressures up to 2500 bar. Review of Scientific Instruments 83 (2012) 085109-1 - 085109-7
J. Koo, C. Czeslik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4746385) - Volume changes of proteins adsorbed on silica particles. Soft Matter 8(2012) 11670-11676
J. Koo, C. Czeslik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c2sm25961c) - Pressure-induced protein adsorption at aqueous-solid interfaces. Langmuir 29(2013)8025-8030
J. Koo. M. Erikamp. S. Grobelny, R. Steitz, C. Czeslik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/la401296f) - Activation volumes of enzymes adsorbed on silica particles. Langmuir 30 (2014) 15496-15503
V. Schuabb, C. Czeslik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/la503605x) - Secondary structure and folding stability of proteins adsorbed on silica particles - pressure versus temperature denaturation. Colloids and Surfaces B 129 (2015) 161-168
S. Cinar, C. Czeslik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2015.03.043)
