Detergenzien

Detergenzien - auch als Tenside oder Tenside bezeichnet - sind amphipathische Verbindungen mit sowohl lipophilen (hydrophoben; unpolaren) als auch hydrophilen (polaren) Seiten innerhalb eines Moleküls.

Daher sind sie sowohl in wässriger Lösung als auch in unpolaren organischen Lösungsmitteln löslich - und können die Löslichkeit anderer Moleküle (wie Lipide oder hydrophobe Proteine in Pufferlösungen) beeinflussen. Detergenzien werden häufig in der Biochemie, Zellbiologie oder Molekularbiologie eingesetzt. Zelllyse, Proteinauflösung, Proteinkristallisation oder Reduktion der Hintergrundfärbung in Blotting-Experimenten sind nur einige Beispiele.

Detergenzien können beispielsweise nach ihrer chemischen Struktur unter Angabe ihrer polaren und unpolaren Gruppe (Glukoside, Alkyl-Ionen-Detergenzien, Polyoxyethylenalkohole, Gallensalze, Sulfonate usw.), des Ladungscharakters (anionisch, kationisch, zwitterionisch = amphoter; nichtionisch) oder einfach danach klassifiziert werden, ob sie in ihrer Fähigkeit, Proteine zu lösen und / oder zu denaturieren, mild oder stark sind. Wir haben uns entschieden, unsere Detergenzien nach ihren Eigenschaften zu ordnen:

• anionische Detergenzien
• kationische Detergenzien
• zwitterionische Detergenzien
• nichtionische Detergenzien
• isomerreine Detergenzien für die Kristallographie

Aber wie wählt man das richtige Detergenz aus?

Es gibt eine große Anzahl verschiedener Detergenzien, und die Wahl des besten Detergens für eine spezielle Anwendung ist nicht leicht. In vielen Fällen muss ein Satz von Detergenzien getestet werden, um dasjenige mit den besten Eigenschaften auszuwählen. Wenn das Ziel die Isolierung eines Proteins ist, das seinen strukturellen und funktionellen Zustand beibehält, sollte man die Temperatur, den pH-Wert und die Ionenstärke des Systems sowie die Wechselwirkung mit den Assays berücksichtigen. Mehrere andere Parameter können die Auswahl ebenfalls beeinflussen. Unter der Annahme, dass die oben genannten Faktoren vom Protein diktiert und konstant gehalten werden, bleiben die Stärke des Detergens (in diesem Fall eine milde, nicht denaturierende), die chemische Struktur, die Löslichkeit und die Konzentration zu optimieren.

Der CMC-Wert ist spezifisch für jedes Detergenz.

Ab einer kritischen Konzentration, dem so genannten CMC-Wert (Critical Micellar Concentration), beginnen Detergenzien stabile Aggregate (Mizellen) zu bilden. Der CMC-Wert ist für jedes Detergens spezifisch und kann durch verschiedene Faktoren (chemische Struktur, pH-Wert, Temperatur, Ionenstärke) beeinflusst werden. In wässrigen Lösungen befindet sich die hydrophile Stelle der Monomere auf der Außenseite der Mizelle und der lipohile Teil im Inneren. In organischen Lösungsmitteln bilden sich umgekehrte Mizellen, wobei die lipophile Stelle außen liegt. Die Mizellengröße nimmt zu und die CMC nimmt mit zunehmender Größe des lipophilen Teils des Waschmittels und, in geringerem Maße, mit abnehmender Größe und Polarität der polaren Gruppen ab. Das bedeutet, dass Detergenzien mit einem höheren hydrophilen Anteil durch eine höhere CMC (Beginn der Bildung von Mizellen in höheren Konzentrationen) und kleinere Mizellen als hochlipophile Detergenzien gekennzeichnet sind. Oberhalb der CMC befinden sich freie Monomermoleküle im Gleichgewicht mit den Mizellen und die Löslichkeit nimmt zu. Detergenzien mit hohen CMC-Werten werden durch die Dialyse leichter entfernt.

 

Übersicht Detergenzien

Trademarks:
Brij (Atlas Chemicals Co.)
Nonidet (Shell)
Triton (Union Varbide Co.)
Pluronic, Tween (ICI America Inc.)

Allgemeine Eigenschaften der wichtigsten Detergenzienklassen

Ionische Detergenzien enthalten eine negativ (anionisches Detergenzien) oder positiv (kationisches Detergenzien) geladene hydrophile Hauptgruppe. Der hydrophobe Teil ist entweder eine Alkylkette (wie bei SDS, CTAB oder Alkylsulfonsäuren) oder eine komplexere steroidale Struktur als Gallensäuresalz (wie Cholat und Desoxycholat). Die Letzteren sind in ihrer Struktur steifer und tragen zusätzliche hydrophile Gruppen (Hydroxylgruppen) innerhalb des hydrophoben Steroidgerüsts. So zeigen Gallensalze nur eine polare und eine apolare Fläche, keine klar definierte Polarhauptgruppe.
Die Größe der Mizellen wird durch Abstoßungskräfte zwischen den geladenen polaren Gruppen und hydrophobe Anziehungskraft zwischen den Seitenketten beeinflusst. Dadurch kann die mizellare Größe von ionischen Detergenzien durch die Ionenstärke beeinflusst werden. Die Erhöhung der Konzentration neutralisierender Gegenionen führt zu einer größeren Mizellgröße. Gleichzeitig führt die erhöhte Ionenstärke zu einer geringeren kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC) . Eine Änderung der Temperatur hingegen beeinflusst die  kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) nur geringfügig. Ionische Reinigungsmittel haben im Allgemeinen höhere CMC-Werte als ihre nichtionischen Analoga. Alkylionische Waschmittel wirken meist denaturierend und trennen Proteinkomplexe in ihre Untereinheiten.

Nichtionische Detergenzien besitzen eine ungeladene, hydrophile Hauptgruppe, die entweder aus Polyoxyethyleneinheiten (z.B. Brij® und Triton®) oder Zuckern (Alkylglucoside oder Maltoside) besteht. Der CMC-Wert und die mizellare Größe dieser Detergenziengruppe wird hauptsächlich von der Temperatur beeinflusst (je höher die Temperatur, desto höher das CMC), nicht von der Ionenstärke.
Nichtionische Detergenzien sind im Allgemeinen nicht denaturierend und daher erste Wahl für Anwendungen, die die Erhaltung der Proteinstruktur und -aktivität erfordern. Es handelt sich um milde Detergenzien, die in erster Linie Lipid-Lipid- und Lipid-Protein-Interaktionen abbrechen, während Protein-Protein-Interaktionen unbeeinflusst bleiben. Insbesondere Alkylglykoside und Maltoside eignen sich zur Isolierung von biologisch aktiven Membranproteinen; Vorteile gegenüber Polyoxyethylen-Detergenzien sind z.B. Homogenität in Zusammensetzung und Struktur (viele Polyoxyethylene bestehen aus mehreren Homologen) und mangelnde Absorption bei 280 nm (Detergenzien, die aromatische Ringe enthalten, absorbieren im ultravioletten Bereich und können die spektrophotometrische Überwachung von Proteinen bei 280 nm stören).

Zwitterionische Detergenzien, wie CHAPS oder Sulfobetain, kombinieren die Eigenschaften von ionischen und nichtionischen Detergenzien. Wie nichtionische Detergenzien haben sie keine Nettoladung. Sie zeigen daher keine elektrophoretische Mobilität und binden nicht an Ionenaustauscherharze. Im Vergleich zu ionischen Detergenzien sind ihre CMC-Werte weniger empfindlich gegenüber Veränderungen der Ionenkonzentration, aber sie haben gemeinsam, dass sie Protein-Protein-Interaktionen effizient abbrechen (denaturierende Wirkung).