DE4122668C2 - Verfahren zur Bestimmung von Metallen mit der Hilfe von Proteinen - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung von Metallen mit der Hilfe von Proteinen

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Decker Heinz Prof Dr 55127 Mainz De Heimerl
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Metallen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, daß sich die strukturellen und/oder funktionellen Eigenschaften metallhaltiger Proteine unter dem Einfluß von Stoffen oder Stoffverbindungen, z. B. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder dgl. meßbar verändern. Bisher war es jedoch nicht möglich, mit Proteinen als Biosensoren Metallkonzentrationen in wässrigen Lösungen zu bestimmen, wobei dies im wesentlichen auf deren begrenzte Stabilität in z. B. nicht-physiologischen Lösungen zurückzuführen war.
Aus der DE OS-20 57 237 ist eine Membran zum Nachweis und zur Bestimmung von mehrwertigen Metallionen bekannt, wobei als polymere Matrix eine Membran aus Ethylcellulose, Polyvinylchlorid, Celluloseacetat und Kollodium verwendet wird, wobei in diese Polymermatrix ein Chelat bildendes Mittel eingebracht ist. Die Bindung der in einer wässrigen Lösungen befindlichen Metalle durch ein Protein und die Bestimmung der mit der Bindung der Metalle einhergehenden, veränderten funktionellen und/oder strukturellen Eigenschaften des Proteins ist nicht entnehmbar.
Die DD 229 595 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von mit Chelatbildnern gekoppelten Biomolekülen, wobei Säureanhydride als Chelatbildner eingesetzt werden. Der gebildete Chelatbildner-Biomolekül-komplex wird zur In vivo- und In vitro-Diagnostik in der Human- und Veterinärmedizin eingesetzt, wobei als zwingende Voraussetzung Chelatbildner wie EDTA und DTPA erforderlich sind. Die Bindung von Metallen in wässriger Lösung an Proteine und die Bestimmung der Veränderung der strukturellen und/oder funktionellen Eigenschaften des Proteins sind nicht entnehmbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung von Metallen in wässrigen Lösungen bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise kritische Konzentrationen oder Schwellenwerte meßbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Gemäß der Erfindung werden in einer wässrigen Lösung befindliche Metalle, wie Calcium, Magnesium oder insbesondere Schwermetalle durch ein in diese Lösung eingebrachtes Protein gebunden und die dadurch veränderten funktionellen und/oder strukturellen Eigenschaften gemessen. Als die zu bestimmenden Schwermetalle haben sich erfindungsgemäß toxische Schwermetalle, wie Quecksilber, Cadmium, Chrom, Zink, Blei, Cobalt, Kupfer oder dgl. gezeigt.
Als geeignete Lösungen haben sich vorzugsweise wässrige Lösungen eines pH-Wertes von pH 4 bis 11, insbesondere eines pH-Wertes von 5 bis 9 gezeigt. Vorzugsweise werden dabei sauerstoffbindende Proteine mit Eisen oder Kupfer als Zentralatom eingesetzt. Auf Grund seiner hohen Stabilität in wässrigen Lösungen mit sehr unterschiedlichen pH-Werten sowie verschiedenster Zusammensetzungen hat sich dabei Hämocyanin als besonders geeignet erwiesen. Diese Stabilität auch in nicht-physiologischen Lösungen, unabhängig von ihrem Gehalt an z. B. Chelatbildnern oder Salzkonzentrationen, ermöglicht eine sowohl kontinuierliche wie auch diskontinuierliche Bestimmung von Konzentrationen von Metallionen. Eine Pufferung des die Metalle, die in der Regel in ionogener Form vorliegen, enthaltenden Systems ist nicht notwendig, kann jedoch in Abhängigkeit vom beabsichtigten Zweck vorgenommen werden.
Von Hämocyaninen ist bekannt, daß sie reversibel Sauerstoff binden, der in der Regel in wässrigen Lösungen vorhanden ist. Durch die quantitativ und/oder qualitativ zu bestimmenden Schwermetalle und/oder Metalle werden die strukturellen und/oder funktionellen, insbesondere die Sauerstoffbindungseigenschaften von Hämocyanin meßbar verändert. In wässrigen Lösungen, z. B Abwässern, Flußwässern, aber auch in körpereigenen Flüssigkeiten, liegt in der Regel eine ausreichend hohe Sauerstoffkonzentration vor, um Hämocyanine im wesentlichen vollständig mit Sauerstoff zu sättigen. Die Verdrängung proteineigener Metallatome durch die zu bestimmenden Metalle und/oder Ionen sowie die Bindung der zu bindenden Metalle und/oder deren Ionen an Seitengruppen, insbesondere die Sulfhydrilgruppen der Cysteine und/oder Cystine führt zu einer Veränderung der spektralen Eigenschaften und/oder des Sauerstoffbindungsvermögens. Damit sind kritische Konzentrationen an Metallionen, insbesondere Schwermetallionen, oder Schwellenwerte davon meßbar. Diese Veränderungen werden mittels gängiger Analyseverfahren, insbesondere spektroskopischer Verfahren wie Absorption, Fluoreszenz, Streulicht oder flammenphotometrisch gemessen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich ausgezeichnet zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von im wesentlichen aller, die Eigenschaften eines, insbesondere sauerstoffbindenden, Proteins beeinflussender Faktoren. Es findet daher vor allem Verwendung zur Bestimmung von Metallen und/oder Schwermetallen im Bereich der Bestimmung von umweltbelastenden Faktoren, aber auch im Bereich der medizinischen Diagnostik.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung von Metallen in wässrigen Lösungen unter Verwendung von Proteinen, dadurch gekennzeichnet, daß Metalle durch ein in die wässrige Lösung eingebrachtes Protein gebunden und die damit einhergehenden, veränderten funktionellen und/oder strukturellen Eigenschaften des Proteins bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein sauerstoffbindendes Protein eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, . daß als Metalle toxische Metalle bestimmt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Metalle in einem pH-Bereich von pH 4 bis 11 durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle an Stelle der proteineigenen Metallatome und/oder spezifischer Seitengruppen gebunden werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffbindende Proteine Hämocyanine eingesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß veränderte strukturelle und/oder funktionelle Eigenschaften des Hämocyanins mittels spektroskopischer Analyseverfahren bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderten strukturellen und/oder funktionellen Eigenschaften des Hämocyanins kontinuierlich und/oder akkumulativ über einen längeren Zeitraum bestimmt werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2057237A1 (de) * 1969-11-20 1971-06-09 Miles Lab Membran zum Nachweis und zur Bestimmung von mehrwertigen Metallionen
DD229595A1 (de) * 1984-12-14 1985-11-13 Adw Ddr Verfahren zur herstellung von mit chelatbildnern gekoppelten biomolekuelen

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DE2057237A1 (de) * 1969-11-20 1971-06-09 Miles Lab Membran zum Nachweis und zur Bestimmung von mehrwertigen Metallionen
DD229595A1 (de) * 1984-12-14 1985-11-13 Adw Ddr Verfahren zur herstellung von mit chelatbildnern gekoppelten biomolekuelen

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