Процесс утраты белковой молекул своей структурной организации

Денатурация (биохимия) — Denaturation (biochemistry)

Примечание 1 : Изменено из определения, приведенного в исх.

Примечание 2 : Денатурация может происходить, когда белки и нуклеиновые кислоты подвергаются воздействию повышенной температуры или экстремальных значений pH, либо нефизиологических концентраций соли, органических растворителей, мочевины или других химических агентов.

Примечание 3 : фермент теряет свою каталитическую активность при денатурировании.

Денатурация — это процесс, при котором белки или нуклеиновые кислоты теряют четвертичную структуру , третичную структуру и вторичную структуру, которая присутствует в их естественном состоянии , из-за приложения некоторого внешнего стресса или соединения, такого как сильная кислота или основание , концентрированная неорганическая соль, органический растворитель (например, спирт или хлороформ ), радиация или тепло . Если белки в живой клетке денатурируются, это приводит к нарушению клеточной активности и, возможно, к гибели клетки. Денатурация белков также является следствием гибели клеток. Денатурированные белки могут проявлять широкий спектр характеристик, от конформационного изменения и потери растворимости до агрегации из-за воздействия гидрофобных групп. Денатурированные белки теряют свою трехмерную структуру и, следовательно, не могут функционировать.

Сворачивание белка является ключом к тому, сможет ли глобулярный или мембранный белок правильно выполнять свою работу; он должен быть сложен в правильную форму, чтобы функционировать. Однако водородные связи , которые играют большую роль в сворачивании, довольно слабы и, таким образом, легко подвергаются воздействию тепла, кислотности, различных концентраций солей и других факторов стресса, которые могут денатурировать белок. Это одна из причин , почему гомеостаз является физиологически необходимым во многих формах жизни .

Эта концепция не связана с денатурированным спиртом , который представляет собой спирт, который был смешан с добавками, чтобы сделать его непригодным для употребления человеком.

СОДЕРЖАНИЕ

Общие примеры

Когда пища готовится, некоторые ее белки денатурируются. Вот почему вареные яйца становятся твердыми, а приготовленное мясо — твердым.

Классический пример денатурации белков — это яичные белки, которые в воде обычно представляют собой яичные альбумины . Прямо из яиц яичные белки прозрачные и жидкие. При приготовлении термически нестабильные белки становятся непрозрачными, образуя взаимосвязанную твердую массу. Такое же преобразование можно осуществить с помощью денатурирующего химического вещества. Переливание яичных белков в стакан с ацетоном также сделает яичные белки полупрозрачными и твердыми. Кожа, которая образуется на простокваше, — еще один распространенный пример денатурированного белка. Холодная закуска, известная как севиче , готовится путем химической «варки» сырой рыбы и моллюсков в кислом цитрусовом маринаде без нагрева.

Денатурация белка

Денатурированные белки могут обладать широким спектром характеристик, от потери растворимости до агрегации белков .

Белки или полипептиды — это полимеры аминокислот . Белок создается рибосомами, которые «читают» РНК, кодируемую кодонами в гене, и собирают необходимую комбинацию аминокислот из генетической инструкции в процессе, известном как трансляция . Затем вновь созданная белковая цепь подвергается посттрансляционной модификации , в которую добавляются дополнительные атомы или молекулы , например медь , цинк или железо . Как только этот процесс посттрансляционной модификации завершен, белок начинает сворачиваться (иногда спонтанно, а иногда с помощью ферментов ), сворачиваясь на себя, так что гидрофобные элементы белка оказываются глубоко внутри структуры, а гидрофильные элементы оказываются на поверхности. за пределами. Окончательная форма белка определяет, как он взаимодействует с окружающей средой.

Сворачивание белка состоит из баланса между значительным количеством слабых внутримолекулярных взаимодействий внутри белка (гидрофобные, электростатические и взаимодействия Ван-дер-Ваальса) и взаимодействиями белок-растворитель. В результате этот процесс сильно зависит от состояния окружающей среды, в которой находится белок. Эти условия окружающей среды включают, помимо прочего, температуру , соленость , давление и растворители, которые могут быть задействованы. Следовательно, любое воздействие экстремальных стрессов (например, тепла или излучения, высоких концентраций неорганических солей, сильных кислот и оснований) может нарушить взаимодействие белков и неизбежно привести к денатурации.

Когда белок денатурируется, вторичные и третичные структуры изменяются, но пептидные связи первичной структуры между аминокислотами остаются нетронутыми. Поскольку все структурные уровни белка определяют его функцию, белок больше не может выполнять свою функцию после денатурирования. Это контрастирует с внутренне неструктурированными белками , которые развернуты в своем естественном состоянии , но все еще функционально активны и имеют тенденцию сворачиваться при связывании со своей биологической мишенью.

Как происходит денатурация на уровнях структуры белка

• При денатурации четвертичной структуры субъединицы белка диссоциируют и / или пространственное расположение субъединиц белка нарушается.
• Денатурация третичной структуры предполагает нарушение:
  • Ковалентные взаимодействия между боковыми цепями аминокислот (например, дисульфидные мостики между группами цистеина )
  • Нековалентные диполь — дипольные взаимодействия между полярными боковыми цепями аминокислот (и окружающим растворителем )
  • Ван-дер-Ваальсовы (индуцированные дипольные) взаимодействия между боковыми цепями неполярных аминокислот.
• При денатурации вторичной структуры белки теряют все регулярные повторяющиеся паттерны, такие как альфа-спирали и бета-складчатые листы , и принимают случайную конфигурацию спиралей .
• Первичная структура , такая как последовательность аминокислот, удерживаемых ковалентными пептидными связями, не нарушается денатурацией.

Потеря функции

Большинство биологических субстратов теряют свою биологическую функцию при денатурировании. Например, ферменты теряют свою активность , потому что субстраты больше не могут связываться с активным сайтом , и потому, что аминокислотные остатки, участвующие в стабилизации переходных состояний субстратов , больше не могут это делать. Процесс денатурации и связанную с ним потерю активности можно измерить с использованием таких методов, как интерферометрия с двойной поляризацией , CD , QCM-D и MP-SPR .

Потеря активности из-за тяжелых металлов и металлоидов

Нацелившись на белки, тяжелые металлы, как известно, нарушают функцию и активность белков. Важно отметить, что тяжелые металлы делятся на категории, состоящие из переходных металлов, а также определенного количества металлоидов. Эти металлы при взаимодействии с нативными свернутыми белками имеют тенденцию играть роль в препятствовании их биологической активности. Это вмешательство можно осуществить разными способами. Эти тяжелые металлы могут образовывать комплекс с функциональными группами боковой цепи, присутствующими в белке, или образовывать связи со свободными тиолами. Тяжелые металлы также играют роль в окислении боковых цепей аминокислот, присутствующих в белке. Наряду с этим, при взаимодействии с металлопротеинами тяжелые металлы могут дислоцировать и замещать ионы ключевых металлов. В результате тяжелые металлы могут мешать свернутым белкам, что может сильно снизить стабильность и активность белков.

Обратимость и необратимость

Во многих случаях денатурация обратима (белки могут вернуться в свое естественное состояние, когда денатурирующее влияние устранено). Этот процесс можно назвать ренатурацией. Это понимание привело к идее, что вся информация, необходимая для того, чтобы белки приняли свое естественное состояние, была закодирована в первичной структуре белка и, следовательно, в ДНК, которая кодирует белок, так называемая « термодинамическая гипотеза Анфинсена ».

Денатурация также может быть необратимой. Эта необратимость обычно является кинетической, а не термодинамической необратимостью, поскольку свернутый белок обычно имеет более низкую свободную энергию, чем когда он развернут. Благодаря кинетической необратимости тот факт, что белок застревает в локальном минимуме, может остановить его от повторной укладки после того, как он был необратимо денатурирован.

Денатурация белков из-за pH

Денатурация также может быть вызвана изменениями pH, которые могут повлиять на химию аминокислот и их остатков. Ионизируемые группы аминокислот могут ионизироваться при изменении pH. Изменение pH на более кислые или более щелочные условия может вызвать разворачивание. Кислотно-индуцированное разворачивание часто происходит при pH от 2 до 5, для вызванного основанием разворачивания обычно требуется pH 10 или выше.

Денатурация нуклеиновой кислоты

Нуклеиновые кислоты (включая РНК и ДНК ) представляют собой нуклеотидные полимеры, синтезируемые ферментами полимеразы во время транскрипции или репликации ДНК . После 5′-3 ‘синтеза основной цепи отдельные азотистые основания способны взаимодействовать друг с другом посредством водородных связей , что позволяет образовывать структуры более высокого порядка. Денатурация нуклеиновой кислоты происходит, когда водородная связь между нуклеотидами нарушается, и приводит к разделению ранее отожженных цепей. Например, денатурация ДНК из-за высоких температур приводит к разрыву пар оснований Уотсона и Крика и разделению двухцепочечной спирали на две одинарные цепи. Нити нуклеиновой кислоты способны повторно отжигаться, когда восстанавливаются « нормальные » условия, но если восстановление происходит слишком быстро, цепи нуклеиновой кислоты могут повторно отжигаться несовершенно, что приводит к неправильному спариванию оснований.

Биологически индуцированная денатурация

В нековалентные взаимодействия между антипараллельных нитей в ДНК может быть нарушена, чтобы «открыто» в двойной спирали , когда биологически важные механизмы , такие как ДНК — репликации, транскрипции, репарации ДНК или белка связывание установлены на место. Область частично разделенной ДНК известна как пузырь денатурации, который можно более конкретно определить как раскрытие двойной спирали ДНК посредством скоординированного разделения пар оснований.

Первая модель, которая попыталась описать термодинамику денатурационного пузыря, была представлена ​​в 1966 году и получила название модели Поланда-Шераги. Эта модель описывает денатурацию цепей ДНК как функцию температуры . По мере повышения температуры водородные связи между парами оснований Уотсона и Крика все больше нарушаются, и начинают формироваться «денатурированные петли». Однако модель Польши-Шераги теперь считается элементарной, потому что она не учитывает противоречивые последствия последовательности ДНК , химического состава, жесткости и скручивания .

Недавние термодинамические исследования показали, что время жизни сингулярного пузырька денатурации составляет от 1 микросекунды до 1 миллисекунды. Эта информация основана на установленных временных рамках репликации и транскрипции ДНК. В настоящее время проводятся биофизические и биохимические исследования для более полного выяснения термодинамических деталей денатурационного пузыря.

Денатурация из-за химических агентов

Поскольку полимеразная цепная реакция (ПЦР) является одним из наиболее популярных контекстов, в которых желательна денатурация ДНК, нагревание является наиболее частым методом денатурации. Помимо денатурации под действием тепла, нуклеиновые кислоты могут подвергаться процессу денатурации с помощью различных химических агентов, таких как формамид , гуанидин , салицилат натрия , диметилсульфоксид (ДМСО), пропиленгликоль и мочевина . Эти химические денатурирующие агенты понижают температуру плавления (T _m ), конкурируя за доноры и акцепторы водородных связей с уже существующими парами азотистых оснований . Некоторые агенты даже способны вызывать денатурацию при комнатной температуре. Например, было показано , что щелочные агенты (например, NaOH) денатурируют ДНК, изменяя pH и удаляя протоны, способствующие образованию водородных связей. Эти денатурирующие агенты были использованы для изготовления геля для денатурирующего градиентного гель-электрофореза (DGGE), который способствует денатурации нуклеиновых кислот, чтобы исключить влияние формы нуклеиновых кислот на их электрофоретическую подвижность.

Химическая денатурация как альтернатива

Оптическая активность (поглощение и рассеяние света) и гидродинамические свойства ( поступательная диффузия , коэффициенты седиментации , и вращательные времена корреляции ) из формамида денатурированных нуклеиновые кислот аналогичны тем , которые термически денатурированные нуклеиновых кислот. Следовательно, в зависимости от желаемого эффекта химически денатурирующая ДНК может обеспечить более щадящую процедуру денатурирования нуклеиновых кислот, чем денатурация, вызванная нагреванием. Исследования, сравнивающие различные методы денатурации, такие как нагревание, мельница с шариками разного размера, обработка ультразвуком и химическая денатурация, показывают, что химическая денатурация может обеспечить более быструю денатурацию по сравнению с другими описанными методами физической денатурации. В частности, в случаях, когда желательна быстрая ренатурация, химические денатурирующие агенты могут стать идеальной альтернативой нагреванию. Например, нити ДНК денатурируют щелочными агентами, такими как NaOH, ренатурируют сразу после добавления фосфатного буфера .

Денатурация воздухом

Небольшие электроотрицательные молекулы, такие как азот и кислород , которые являются основными газами в воздухе , значительно влияют на способность окружающих молекул участвовать в водородных связях . Эти молекулы конкурируют с окружающими акцепторами водородных связей за доноры водородных связей, поэтому действуют как «разрушители водородных связей» и ослабляют взаимодействия между окружающими молекулами в окружающей среде. Антипараллельные нити в двойных спиралях ДНК нековалентно связаны водородными связями между парами оснований Уотсона и Крика; поэтому азот и кислород поддерживают возможность ослабить целостность ДНК при контакте с воздухом. В результате нити ДНК, подвергнутые воздействию воздуха, требуют меньшего усилия для разделения и являются примером более низких температур плавления .

Приложения

Многие лабораторные методы полагаются на способность цепей нуклеиновых кислот разделяться. Понимая свойства денатурации нуклеиновых кислот, были созданы следующие методы:

Источник