В биохимии денатурация — это процесс, при котором белки или нуклеиновые кислоты теряют четвертичную структуру , третичную структуру и вторичную структуру , которая присутствует в их нативном состоянии , под действием какого - либо внешнего стресса или соединения, такого как сильная кислота или основание , концентрированное вещество. неорганическая соль, органический растворитель (например, спирт или хлороформ ), перемешивание и облучение или нагревание . [1] Если белки в живой клетке денатурируются, это приводит к нарушению клеточной активности и, возможно, к гибели клеток. Денатурация белка также является следствием гибели клеток. [2] [3] Денатурированные белки могут проявлять широкий спектр характеристик: от конформационных изменений и потери растворимости до агрегации из-за воздействия гидрофобных групп. Утрата растворимости в результате денатурации называется коагуляцией . [4] 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; чтобы он мог функционировать, его необходимо сложить в правильную форму. Однако водородные связи , которые играют большую роль в сворачивании, довольно слабы и поэтому легко подвергаются воздействию тепла, кислотности, различных концентраций солей и других стрессоров, которые могут денатурировать белок. Это одна из причин, почему гомеостаз физиологически необходим для многих форм жизни .
Эта концепция не имеет отношения к денатурированному алкоголю , то есть к алкоголю, в который добавлены добавки, делающие его непригодным для употребления человеком.
Когда пища готовится, некоторые ее белки денатурируются. Вот почему вареные яйца становятся твердыми, а приготовленное мясо – твердым.
Классический пример денатурации белков – яичные белки, которые обычно представляют собой яичные альбумины в воде. Свежие из яиц яичные белки прозрачны и жидки. Приготовление термически нестабильных белков делает их непрозрачными, образуя взаимосвязанную твердую массу. [5] То же самое преобразование можно осуществить с помощью денатурирующего химического вещества. Если вылить яичные белки в стакан с ацетоном , они также станут полупрозрачными и твердыми. Пенка, образующаяся на простокваше , является еще одним распространенным примером денатурированного белка. Холодная закуска, известная как севиче , готовится путем химического «приготовления» сырой рыбы и моллюсков в кислом цитрусовом маринаде без нагрева. [6]
Денатурированные белки могут проявлять широкий спектр характеристик: от потери растворимости до агрегации белков .
Белки или полипептиды представляют собой 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 . Вновь созданная белковая цепь затем подвергается посттрансляционной модификации , при которой добавляются дополнительные атомы или молекулы , например, меди , цинка или железа . Как только этот процесс посттрансляционной модификации завершен, белок начинает сворачиваться (иногда спонтанно, а иногда с помощью ферментов ), скручиваясь так, что гидрофобные элементы белка оказываются глубоко внутри структуры, а гидрофильные элементы оказываются на поверхности. снаружи. 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 ван-дер-ваальсовые взаимодействия) и взаимодействиями белок-растворитель. [7] В результате этот процесс во многом зависит от состояния окружающей среды, в которой находится белок. [7] Эти условия окружающей среды включают, помимо прочего, температуру , соленость , давление и растворители, которые участвуют в этом процессе. [7] Следовательно, любое воздействие экстремальных стрессов (например, тепла или радиации, высоких концентраций неорганических солей, сильных кислот и оснований) может нарушить взаимодействие белков и неизбежно привести к денатурации. [8]
При денатурации белка вторичная и третичная структуры изменяются, но пептидные связи первичной структуры между аминокислотами остаются нетронутыми. Поскольку все структурные уровни белка определяют его функцию, после денатурации белок больше не может выполнять свою функцию. В этом отличие от внутренне неструктурированных белков , которые развернуты в нативном состоянии , но все еще функционально активны и имеют тенденцию сворачиваться при связывании со своей биологической мишенью. [9]
Большинство биологических субстратов теряют свою биологическую функцию при денатурации. Например, ферменты теряют свою активность , потому что субстраты больше не могут связываться с активным центром [11] и потому , что аминокислотные остатки, участвующие в стабилизации переходных состояний субстратов , больше не могут этого делать. Процесс денатурации и связанную с ним потерю активности можно измерить с помощью таких методов, как двуполяризационная интерферометрия , CD , QCM-D и MP-SPR .
Известно, что, воздействуя на белки, тяжелые металлы нарушают функцию и активность белков. [12] Важно отметить, что тяжелые металлы делятся на категории, состоящие из переходных металлов, а также определенного количества металлоидов. [12] Эти металлы при взаимодействии с нативными свернутыми белками имеют тенденцию играть роль в препятствовании их биологической активности. [12] Такое вмешательство может осуществляться разными способами. Эти тяжелые металлы могут образовывать комплексы с функциональными группами боковых цепей, присутствующими в белке, или образовывать связи со свободными тиолами. [12] Тяжелые металлы также играют роль в окислении боковых цепей аминокислот, присутствующих в белке. [12] Наряду с этим, при взаимодействии с металлопротеинами тяжелые металлы могут дислоцировать и замещать ионы ключевых металлов. [12] В результате тяжелые металлы могут влиять на свернутые белки, что может сильно снижать стабильность и активность белков.
Во многих случаях денатурация обратима (белки могут вернуться в нативное состояние после прекращения денатурирующего воздействия). Этот процесс можно назвать ренатурацией. [13] Это понимание привело к идее, что вся информация, необходимая белкам для принятия их нативного состояния, закодирована в первичной структуре белка и, следовательно, в ДНК, которая кодирует белок, так называемая « термодинамическая структура Анфинсена». гипотеза ». [14]
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 застрял в локальном минимуме, может помешать ему когда-либо повторно сворачиваться после необратимой денатурации. [15]
Денатурация также может быть вызвана изменениями pH, которые могут повлиять на химический состав аминокислот и их остатков. Ионизируемые группы аминокислот способны ионизироваться при изменении pH. Изменение pH в сторону более кислых или более основных условий может вызвать развертывание. [16] Разворачивание, индуцированное кислотой, часто происходит при pH от 2 до 5, разворачивание, индуцированное основанием, обычно требует pH 10 или выше. [16]
Нуклеиновые кислоты (включая РНК и ДНК ) представляют собой нуклеотидные полимеры, синтезируемые ферментами-полимеразами 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 водородные связи между нуклеотидами разрушаются, и приводит к разделению ранее отожженных цепей. Например, денатурация ДНК из-за высоких температур приводит к разрыву пар оснований и разделению двухцепочечной спирали на две одиночные цепи. Цепи нуклеиновой кислоты способны к повторному отжигу при восстановлении « нормальных » условий, но если восстановление происходит слишком быстро, цепи нуклеиновой кислоты могут повторно отжигаться несовершенно, что приводит к неправильному спариванию оснований.
Нековалентные взаимодействия между антипараллельными цепями ДНК могут быть разорваны, чтобы «открыть» двойную спираль , когда запускаются биологически важные механизмы, такие как репликация ДНК, транскрипция, репарация ДНК или связывание белка. [17] Область частично разделенной ДНК известна как пузырь денатурации, который можно более конкретно определить как раскрытие двойной спирали ДНК посредством скоординированного разделения пар оснований. [17]
Первая модель, которая попыталась описать термодинамику денатурационного пузыря, была представлена в 1966 году и названа моделью Польши-Шераги. Эта модель описывает денатурацию нитей ДНК в зависимости от температуры . По мере повышения температуры водородные связи между парами оснований все больше нарушаются и начинают образовываться «денатурированные петли». [18] Однако модель Польши-Шераги сейчас считается элементарной, поскольку она не может объяснить запутанные последствия последовательности ДНК , химического состава, жесткости и скручивания . [19]
Недавние термодинамические исследования показали, что время жизни отдельного денатурационного пузыря колеблется от 1 микросекунды до 1 миллисекунды. [20] Эта информация основана на установленных временных рамках репликации и транскрипции ДНК. [20] В настоящее время, [ когда? ] проводятся биофизические и биохимические исследования для более полного выяснения термодинамических деталей денатурационного пузыря. [20]
Поскольку полимеразная цепная реакция (ПЦР) является одним из наиболее популярных способов денатурации ДНК, наиболее частым методом денатурации является нагревание. [21] 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 . [22] Эти химические денатурирующие агенты снижают температуру плавления (T m ), конкурируя за доноров и акцепторов водородных связей с ранее существовавшими 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. [21] Эти денатуранты были использованы для изготовления денатурирующего геля для градиентного гель-электрофореза (DGGE), который способствует денатурации нуклеиновых кислот с целью устранения влияния формы нуклеиновых кислот на их электрофоретическую подвижность. [23]
Оптическая активность (поглощение и рассеяние света) и гидродинамические свойства ( поступательная диффузия , коэффициенты седиментации и времена вращательной корреляции ) нуклеиновых кислот, денатурированных формамидом , аналогичны свойствам нуклеиновых кислот, денатурированных нагреванием. [22] [24] [25] Следовательно, в зависимости от желаемого эффекта, химическая денатурация ДНК может обеспечить более щадящую процедуру денатурации нуклеиновых кислот, чем денатурация, вызванная нагреванием. Исследования, сравнивающие различные методы денатурации, такие как нагрев, мельница с шариками разного размера, ультразвуковая обработка зондом и химическая денатурация, показывают, что химическая денатурация может обеспечить более быструю денатурацию по сравнению с другими описанными методами физической денатурации. [21] В частности, в тех случаях, когда желательна быстрая ренатурация, химические денатурирующие агенты могут стать идеальной альтернативой нагреванию. Например, нити ДНК, денатурированные щелочными агентами , такими как NaOH, ренатурируют, как только добавляется фосфатный буфер . [21]
Маленькие электроотрицательные молекулы, такие как азот и кислород , которые являются основными газами в воздухе , существенно влияют на способность окружающих молекул участвовать в образовании водородных связей . [26] Эти молекулы конкурируют с окружающими акцепторами водородных связей за доноров водородных связей, тем самым действуя как «разрушители водородных связей» и ослабляя взаимодействия между окружающими молекулами в окружающей среде. [26] Антипараллельные цепи в двойных спиралях ДНК нековалентно связаны водородными связями между парами оснований; [27] азот и кислород, таким образом, сохраняют потенциал ослаблять целостность ДНК при воздействии воздуха. [28] В результате нити ДНК, подвергающиеся воздействию воздуха, требуют меньше усилий для разделения и служат примером более низких температур плавления . [28]
Многие лабораторные методы основаны на способности цепей нуклеиновых кислот разделяться. Понимая свойства денатурации нуклеиновых кислот, были созданы следующие методы:
Кислые денатуранты белка включают:
Основания при денатурации действуют аналогично кислотам. Они включают:
Большинство органических растворителей денатурируют, в том числе :
Сшивающие агенты для белков включают: [ нужна ссылка ]
Хаотропные агенты включают : _
Агенты, разрушающие дисульфидные связи путем восстановления , включают :
Такие агенты, как перекись водорода, элементарный хлор, хлорноватистая кислота (хлорная вода), бром, бромная вода, йод, азотная и окисляющие кислоты, а также озон вступают в реакцию с чувствительными фрагментами, такими как сульфид/тиол, активированные ароматические кольца (фенилаланин), в результате повреждают белок и сделать его бесполезным.
Кислые денатуранты нуклеиновых кислот включают:
Основные денатуранты нуклеиновых кислот включают:
Другие денатуранты нуклеиновых кислот включают:
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )