Isotherme Titrationskalorimetrie

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Isotherme Titrationskalorimetrie

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Isotherme Titrationskalorimetrie

Die Isotherme Titrationskalorimetrie (englisch: Isothermal Titration Calorimetry, kurz ITC) ist eine biophysikalische Messmethode, mit der sich die Wärme messen lässt, die bei einer molekularen Wechselwirkung frei wird oder aufgenommen wird. Typische Beispiele sind die Bindung eines kleinen Liganden an ein Protein, die Wechselwirkung zweier Proteine oder die Bindung an DNA.

Dieser aiMOOC richtet sich vor allem an Lernende der gymnasialen Oberstufe sowie an Studierende in den ersten Semestern von Chemie, Biochemie, Biophysik, Pharmazie oder verwandten Fächern. Du solltest Grundbegriffe wie Stoffmenge, Konzentration, Enthalpie und chemisches Gleichgewicht kennen. Der Text konzentriert sich auf das Messprinzip, die wichtigsten thermodynamischen Größen, die Auswertung und typische Fehlerquellen.

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Grundidee der Methode

Bei einer ITC-Messung befindet sich ein Bindungspartner, zum Beispiel ein Protein, in einer Probenzelle. Der zweite Bindungspartner, zum Beispiel ein Ligand, wird mit einer feinen Titrationsspritze schrittweise zugegeben. Nach jeder Injektion können die Moleküle miteinander wechselwirken.

Eine Bindung kann exotherm oder endotherm sein. Bei einer exothermen Bindung wird Wärme frei. Bei einer endothermen Bindung wird Wärme aufgenommen. Das Kalorimeter registriert nicht einfach nur eine Temperaturänderung, sondern regelt aktiv die Heizleistung so, dass die Temperatur während des gesamten Experiments nahezu konstant bleibt.

Deshalb heißt die Methode isotherm: Die Messung erfolgt bei konstanter Temperatur.

Aufbau eines isothermen Titrationskalorimeters

Ein typisches ITC-Gerät besitzt eine Probenzelle und eine Referenzzelle. Die Referenzzelle enthält meist Wasser oder eine geeignete Referenzlösung. In der Probenzelle befindet sich die zu untersuchende Lösung.

Eine empfindliche Regelung vergleicht ständig beide Zellen. Wird durch eine Reaktion in der Probenzelle Wärme frei, muss dort weniger Heizleistung zugeführt werden. Wird Wärme aufgenommen, muss die Heizung stärker arbeiten. Gemessen wird somit die Differenz der benötigten Leistung.

Die Titrationsspritze dient zugleich häufig dem kontrollierten Injizieren und dem Durchmischen der Lösung. Damit die gemessene Wärme tatsächlich überwiegend von der interessierenden Bindung stammt, sollten beide Bindungspartner möglichst im gleichen Puffer vorliegen.

Was wird bei einer ITC tatsächlich gemessen?

Das unmittelbare Messsignal ist eine Leistung, also Energie pro Zeit. Nach jeder Injektion erscheint im Messsignal ein Ausschlag. Dieser Ausschlag wird häufig als Peak oder Spike bezeichnet.

Die Fläche unter einem solchen Peak entspricht der Wärmemenge, die nach dieser Injektion freigesetzt oder aufgenommen wurde. Durch die Integration der einzelnen Peaks erhält man für jede Zugabe einen Wärmewert.

Zu Beginn des Experiments sind meist viele freie Bindungsstellen vorhanden. Deshalb kann ein großer Wärmeeffekt auftreten. Mit zunehmender Zugabe werden immer mehr Bindungsstellen besetzt. Schließlich nähert sich das System der Sättigung. Dann stammt das verbleibende Signal hauptsächlich aus Verdünnungs- und Mischungseffekten.

Vom Thermogramm zur Bindungsisotherme

Das zunächst aufgezeichnete Signal heißt Thermogramm. Es zeigt die benötigte Leistung in Abhängigkeit von der Zeit. Jeder Peak gehört zu einer Injektion.

Nach der Integration werden die Wärmemengen häufig gegen das molare Verhältnis von Ligand zu Bindungspartner aufgetragen. Dadurch entsteht eine Bindungsisotherme. An diese Daten wird ein geeignetes Bindungsmodell angepasst.

Ein einfaches und häufig verwendetes Modell nimmt eine Gruppe gleichartiger und unabhängiger Bindungsstellen an. Für komplexere Systeme können andere Modelle notwendig sein. Die Wahl des Modells beeinflusst die Interpretation der Daten und muss daher zur untersuchten Wechselwirkung passen.

Zentrale thermodynamische Größen

Aus einer gut geplanten und gut ausgewerteten ITC-Messung lassen sich vor allem drei Größen bestimmen: die Bindungsstöchiometrie $n$, die Assoziationskonstante $K_a$ und die Bindungsenthalpie $\Delta H$.

Die Bindungsstöchiometrie $n$ beschreibt, in welchem Verhältnis die Bindungspartner miteinander reagieren. Ein Wert nahe 1 kann zum Beispiel zu einem Modell passen, bei dem ein Ligand an eine Bindungsstelle eines Proteins bindet.

Die Assoziationskonstante $K_a$ beschreibt die Stärke der Bindung. Häufig wird stattdessen die Dissoziationskonstante $K_d$ verwendet. Vereinfacht gilt:

$K_d=\frac{1}{K_a}$

Eine kleine Dissoziationskonstante bedeutet eine hohe Bindungsaffinität.

Die Reaktionsenthalpie $\Delta H$ beschreibt den Wärmeeffekt der Bindung. Ein negatives $\Delta H$ steht in der üblichen thermodynamischen Vorzeichenkonvention für einen exothermen Prozess, ein positives $\Delta H$ für einen endothermen Prozess.

Gibbs-Energie und Entropie

Aus der gemessenen Bindungsaffinität und der Enthalpie können weitere thermodynamische Größen abgeleitet werden. Der Zusammenhang lautet:

$\Delta G=-RT\ln K_a=\Delta H-T\Delta S$

Dabei ist $\Delta G$ die Änderung der Gibbs-Energie, $R$ die Gaskonstante, $T$ die absolute Temperatur und $\Delta S$ die Entropieänderung.

Eine spontane Bindung unter den betrachteten Bedingungen besitzt eine negative Gibbs-Energie. Ob eine Bindung vor allem durch einen günstigen Enthalpiebeitrag oder einen günstigen Entropiebeitrag unterstützt wird, kann sich von System zu System unterscheiden.

ITC ist deshalb besonders wertvoll, weil sie nicht nur die Stärke einer Bindung beschreibt, sondern auch Einblicke in ihre thermodynamische Ursache ermöglicht.

Exotherme und endotherme Bindungen

Bei einer exothermen Bindung wird Wärme frei. Das Kalorimeter muss dann der Probenzelle vorübergehend weniger Heizleistung zuführen.

Bei einer endothermen Bindung wird Wärme aufgenommen. Die Regelung muss entsprechend zusätzliche Heizleistung bereitstellen.

Das Vorzeichen des beobachteten Peaks hängt von der Darstellung und Gerätekonvention ab. Entscheidend für die fachliche Interpretation ist deshalb nicht allein die Richtung eines Peaks auf dem Bildschirm, sondern die zugehörige Konvention der Messsoftware und das daraus bestimmte Vorzeichen von $\Delta H$.

Planung eines ITC-Experiments

Eine aussagekräftige ITC-Messung beginnt lange vor der ersten Injektion. Besonders wichtig sind passende Konzentrationen der beiden Bindungspartner. Die Konzentration des Liganden in der Spritze liegt typischerweise über der Konzentration des Bindungspartners in der Messzelle, damit während der Titration eine Sättigung erreicht werden kann.

Als Planungsgröße wird häufig der sogenannte c-Wert betrachtet. Er hängt von der Stöchiometrie, der Bindungskonstante und der Konzentration in der Zelle ab. Ist die Bindung im gewählten Konzentrationsbereich zu schwach oder zu stark, kann die Bindungskurve nur unzureichend Informationen über alle Parameter liefern.

Auch die Pufferbedingungen sind wichtig. Unterschiede in pH-Wert, Salzgehalt oder Lösungsmittelzusammensetzung können zusätzliche Mischungswärme erzeugen. Deshalb werden die beiden Lösungen möglichst sorgfältig aneinander angepasst.

Luftblasen in der Messzelle können das Signal stören. In vielen Protokollen werden Lösungen deshalb vor der Messung entgast oder zumindest so vorbereitet, dass Blasen vermieden werden.

Kontrollexperimente

Nicht jede gemessene Wärme stammt von der gewünschten Bindung. Auch das Verdünnen des Liganden, das Mischen unterschiedlicher Lösungen oder eine Protonierungsreaktion des Puffers kann Wärme erzeugen.

Ein wichtiges Kontrollexperiment ist deshalb die Titration des Liganden in reinen Puffer. Dadurch lässt sich abschätzen, wie groß die Verdünnungs- und Mischungswärme ohne Bindung ist.

Bei anspruchsvollen Experimenten können zusätzliche Kontrollen notwendig sein, zum Beispiel Puffer gegen Puffer oder Messungen mit einem Bindungspartner, der nicht binden sollte.

Typischer Ablauf einer Messung

Zuerst werden die Lösungen vorbereitet und ihre Konzentrationen möglichst genau bestimmt. Anschließend wird die Probenzelle blasenfrei befüllt. Die Titrationsspritze wird mit dem zweiten Bindungspartner gefüllt.

Danach wird die gewünschte Temperatur eingestellt und das System bis zu einer stabilen Basislinie äquilibriert. Nun folgen nacheinander kleine Injektionen. Zwischen den Injektionen wartet das Gerät, bis das Signal wieder ausreichend zur Basislinie zurückgekehrt ist.

Nach Abschluss der Messung werden die Peaks integriert. Die erhaltenen Wärmemengen werden mit einem Bindungsmodell ausgewertet. Dabei werden beispielsweise $n$, $K_a$ und $\Delta H$ bestimmt.

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Interpretation einer Bindungskurve

Eine typische Bindungskurve verändert sich mit zunehmender Sättigung. Zu Beginn führt fast jede Injektion zu einem deutlichen Bindungswärmeeffekt. In der Nähe des stöchiometrischen Übergangs verändert sich das Signal stark. Nach weitgehender Sättigung werden die Wärmewerte deutlich kleiner und nähern sich dem Hintergrundsignal an.

Die Form der Kurve enthält Informationen über Affinität und Stöchiometrie. Die Größe der integrierten Wärme liefert Informationen über die Enthalpie.

Wichtig ist jedoch: Die Parameter entstehen nicht aus einer einzelnen Stelle der Kurve, sondern aus der Anpassung eines mathematischen Bindungsmodells an die gesamte geeignete Datenreihe.

Vorteile der ITC

Ein großer Vorteil der ITC besteht darin, dass die Wechselwirkung in Lösung untersucht werden kann. Häufig sind weder fluoreszierende Markierungen noch eine Immobilisierung eines Bindungspartners notwendig.

Außerdem können in einem Experiment mehrere thermodynamische Größen gewonnen werden. Damit ergänzt die ITC Methoden, die vor allem Affinitäten oder kinetische Geschwindigkeiten bestimmen.

Besonders nützlich ist die Methode, wenn nicht nur gefragt wird, ob zwei Moleküle binden, sondern auch wie stark, in welchem Verhältnis und mit welchem Wärmeeffekt.

Grenzen und Fehlerquellen

ITC benötigt ausreichend Material und ausreichend hohe Konzentrationen, um einen messbaren Wärmeeffekt zu erzeugen. Das kann bei seltenen oder schwer löslichen Biomolekülen problematisch sein.

Weitere Fehlerquellen sind ungenaue Konzentrationen, Luftblasen, Aggregation, nicht passende Puffer, starke Verdünnungswärmen, unvollständiges Gleichgewicht zwischen den Injektionen und ein ungeeignetes Bindungsmodell.

Auch gekoppelte Prozesse können die Interpretation erschweren. Wenn bei der Bindung zum Beispiel Protonen aufgenommen oder abgegeben werden, kann der verwendete Puffer zur gemessenen Wärme beitragen. Die beobachtete Enthalpie ist dann nicht ausschließlich ein isolierter Beitrag der direkten Molekül-Molekül-Wechselwirkung.

Anwendungen

Die ITC wird häufig in Biochemie, Molekularbiologie, Biophysik und Pharmazie eingesetzt. Untersucht werden zum Beispiel Protein-Ligand-Bindungen, Protein-Protein-Wechselwirkungen, Wechselwirkungen mit Nukleinsäuren oder Metallionen sowie die Bindung potenzieller Wirkstoffe an Zielmoleküle.

In der Wirkstoffforschung kann die Methode dazu beitragen, Bindungsaffinitäten und thermodynamische Profile verschiedener Moleküle miteinander zu vergleichen. Ein stark bindender Ligand muss dabei nicht zwingend dieselbe Aufteilung von Enthalpie- und Entropiebeiträgen zeigen wie ein anderer Ligand mit ähnlicher Affinität.

Abgrenzung zu anderen Methoden

Die Dynamische Differenzkalorimetrie untersucht vor allem thermisch ausgelöste Übergänge, zum Beispiel die Entfaltung eines Proteins bei steigender Temperatur. Die ITC arbeitet dagegen bei konstanter Temperatur und verfolgt die Wärme während einer Titration.

Die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie kann unter anderem Bindungs- und Dissoziationsgeschwindigkeiten bestimmen. ITC liefert dagegen besonders direkt Informationen über thermodynamische Größen. Beide Methoden können sich daher sinnvoll ergänzen.

Merksatz

ITC misst die Wärme einer molekularen Wechselwirkung bei konstanter Temperatur. Aus dem Verlauf der Titration lassen sich Stöchiometrie, Bindungsaffinität und Enthalpie bestimmen; Gibbs-Energie und Entropie können daraus abgeleitet werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was misst ein isothermes Titrationskalorimeter unmittelbar während einer Titration? (Die zur Temperaturregelung benötigte Leistung) (!Die Masse des Liganden) (!Die Lichtabsorption der Probe) (!Den elektrischen Widerstand des Proteins)

Welche Größe beschreibt die Wärmeänderung einer Bindung? (Die Enthalpie) (!Die Wellenlänge) (!Die Dichte) (!Die Brechzahl)

Was bedeutet isotherm bei einer ITC-Messung? (Die Temperatur wird konstant gehalten) (!Der Druck wird ständig erhöht) (!Die Probe wird eingefroren) (!Die Konzentration bleibt immer gleich)

Welche Zelle enthält den zu untersuchenden Bindungspartner? (Die Probenzelle) (!Die Vakuumzelle) (!Die Kühlzelle) (!Die Elektrolysezelle)

Was erhält man durch Integration eines ITC-Peaks? (Die Wärmemenge einer Injektion) (!Die Molmasse des Proteins) (!Die Lichtintensität) (!Die elektrische Ladung)

Welche Größe beschreibt die Stärke einer Bindung? (Die Assoziationskonstante) (!Die Wellenzahl) (!Die Viskosität) (!Die Schmelztemperatur)

Was bedeutet ein kleiner Wert der Dissoziationskonstante bei sonst vergleichbaren Bedingungen? (Eine hohe Bindungsaffinität) (!Eine niedrige Probentemperatur) (!Eine hohe Lichtabsorption) (!Eine geringe Stoffmenge)

Warum sollten beide Bindungspartner möglichst im gleichen Puffer vorliegen? (Um zusätzliche Mischungswärme zu verringern) (!Um die Lösung einzufärben) (!Um die Molmasse zu erhöhen) (!Um die Temperaturmessung abzuschalten)

Welche Größe kann aus Affinität und Enthalpie abgeleitet werden? (Die Entropieänderung) (!Die Atommasse) (!Die Kernladungszahl) (!Die Wellenlänge)

Was ist nach weitgehender Sättigung der Bindungsstellen zu erwarten? (Der bindungsbedingte Wärmeeffekt wird kleiner) (!Jede Injektion erzeugt unbegrenzt mehr Bindung) (!Die Referenzzelle verschwindet) (!Die Temperaturregelung wird unnötig)

Memory

ITC	Wärmemessung bei einer Titration
Probenzelle	Enthält den untersuchten Bindungspartner
Referenzzelle	Liefert ein thermisches Vergleichssignal
Thermogramm	Leistung in Abhängigkeit von der Zeit
Bindungsisotherme	Integrierte Wärme in Abhängigkeit vom molaren Verhältnis
Stöchiometrie	Verhältnis der miteinander bindenden Teilchen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Wärmeabgabe	Exotherme Bindung
Wärmeaufnahme	Endotherme Bindung
Probenzelle	Enthält die untersuchte Lösung
Referenzzelle	Dient dem thermischen Vergleich
Integration	Bestimmt die Wärme aus einem Peak

Kreuzworträtsel

Enthalpie	Welche thermodynamische Größe beschreibt den Wärmeeffekt einer Bindung?
Ligand	Wie heißt ein Molekül, das an ein Zielmolekül bindet?
Isotherme	Wie heißt eine Kurve, die ITC-Bindungsdaten gegen das molare Verhältnis darstellt?
Kalorimeter	Welches Gerät misst Wärmeeffekte bei der ITC?
Thermogramm	Wie heißt die Darstellung der gemessenen Leistung gegen die Zeit?
Stöchiometrie	Welche Größe beschreibt das Mengenverhältnis der Bindungspartner?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Bei der isothermen Titrationskalorimetrie wird die Temperatur während der Messung möglichst gehalten. Ein Bindungspartner befindet sich typischerweise in der . Der zweite Bindungspartner wird schrittweise mit einer zugegeben. Jeder Injektionsschritt kann einen messbaren Wärmeeffekt und damit einen erzeugen. Durch Integration eines solchen Signals erhält man die zugehörige . Aus der Bindungskurve kann unter anderem die bestimmt werden. Die Stärke einer Bindung kann durch die Assoziationskonstante beschrieben werden. Aus Enthalpie und Gibbs-Energie lässt sich die ableiten.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Begriffsnetz ITC: Erstelle ein Begriffsnetz mit den Wörtern Probenzelle, Referenzzelle, Ligand, Thermogramm, Enthalpie und Affinität.
2. ITC-Skizze: Zeichne den vereinfachten Aufbau eines isothermen Titrationskalorimeters und beschrifte die wichtigsten Bestandteile.
3. Exotherm und endotherm: Erkläre mit eigenen Worten den Unterschied zwischen einer exothermen und einer endothermen Bindung.
4. Thermogramm beschreiben: Beschreibe, was während einer Serie von Ligandeninjektionen im Thermogramm zu sehen ist.

Standard

1. Versuchsplanung ITC: Entwirf einen vereinfachten Plan für eine ITC-Messung zwischen einem Protein und einem Liganden und begründe die Reihenfolge der Schritte.
2. Kontrollexperiment ITC: Erkläre, warum eine Titration des Liganden in reinen Puffer sinnvoll ist und welche Information sie liefert.
3. Bindungskurve analysieren: Skizziere eine typische Sättigungskurve und markiere die Bereiche vor, während und nach der Sättigung.
4. Methodenvergleich: Vergleiche ITC mit einer anderen Methode zur Untersuchung molekularer Wechselwirkungen und nenne mindestens zwei Unterschiede.

Schwer

1. Fehleranalyse ITC: Entwickle für vier mögliche Fehlerquellen jeweils eine Maßnahme, mit der ihre Auswirkung verringert werden kann.
2. Thermodynamische Interpretation: Erläutere an einem selbst gewählten Beispiel, wie zwei Bindungen eine ähnliche Affinität, aber unterschiedliche Enthalpie- und Entropiebeiträge besitzen könnten.
3. Bindungsmodell prüfen: Formuliere Kriterien, anhand derer Du erkennen würdest, dass ein einfaches Modell identischer Bindungsstellen die Messdaten möglicherweise nicht ausreichend beschreibt.
4. Mini-Forschungsprojekt ITC: Recherchiere eine wissenschaftliche Anwendung der ITC, fasse Fragestellung, Messprinzip und wichtigste Aussage in einer einseitigen Übersicht oder einem kurzen Video zusammen.

Lernkontrolle

1. Messsignal erklären: Begründe, warum die ITC nicht nur eine Temperaturänderung, sondern eine Änderung der benötigten Heizleistung auswertet.
2. Sättigung übertragen: Erkläre, warum die Wärmeeffekte mit zunehmender Besetzung der Bindungsstellen typischerweise kleiner werden.
3. Puffereinfluss beurteilen: Eine Ligandenlösung besitzt einen anderen pH-Wert als die Proteinlösung. Erkläre, wie dies die Messung beeinflussen kann und wie Du das Problem vermeiden würdest.
4. Affinität und Thermodynamik verknüpfen: Zeige anhand der Beziehung zwischen Gibbs-Energie, Enthalpie und Entropie, warum Bindungsstärke nicht allein durch die Enthalpie bestimmt wird.
5. Methodenwahl begründen: Entscheide für eine Forschungsfrage, bei der sowohl Affinität als auch Wärmeeffekt einer Bindung wichtig sind, warum ITC geeignet sein kann.
6. Datenqualität beurteilen: Entwickle drei Merkmale, an denen Du eine problematische ITC-Messung erkennen könntest, und begründe Deine Auswahl.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Begriffe auswendig kennst, sondern Messprinzip und Dateninterpretation miteinander verbinden kannst.

1. Du kannst den Aufbau von Probenzelle, Referenzzelle und Titrationsspritze erklären.
2. Du kannst beschreiben, warum bei der ITC die Heizleistung geregelt und ausgewertet wird.
3. Du kannst Thermogramm und Bindungsisotherme voneinander unterscheiden.
4. Du kannst die Bedeutung von Stöchiometrie, Assoziationskonstante, Dissoziationskonstante und Enthalpie erklären.
5. Du kannst den Zusammenhang zwischen Gibbs-Energie, Enthalpie und Entropie erläutern.
6. Du kannst wichtige Kontrollexperimente und Fehlerquellen benennen und fachlich begründen.
7. Du kannst beurteilen, wann ITC für eine Fragestellung geeignet ist und welche Grenzen die Methode besitzt.

Verknüpfte Lernbereiche

Isotherme Titrationskalorimetrie Kalorimetrie Thermodynamik Enthalpie Entropie Gibbs-Energie Chemisches Gleichgewicht Protein-Ligand-Interaktion Biophysik Analytische Chemie