stringtranslate.com

Денатурация (биохимия)

Влияние температуры на активность ферментов .
Вверху : повышение температуры увеличивает скорость реакции ( коэффициент Q10 ).
В середине : доля свернутого и функционального фермента снижается выше температуры его денатурации.
Внизу : следовательно, оптимальная скорость реакции фермента приходится на промежуточную температуру.
Определение ИЮПАК денатурации (макромолекулы)

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.

Общие примеры

(Вверху) Белок альбумин в яичном белке подвергается денатурации и потере растворимости при приготовлении яйца. (Внизу) Скрепки представляют собой визуальную аналогию, помогающую концептуализировать процесс денатурации.

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]

Денатурация белка

Денатурированные белки могут проявлять широкий спектр характеристик: от потери растворимости до агрегации белков .

Функциональные белки имеют четыре уровня структурной организации:
  1. Первичная структура: линейная структура аминокислот в полипептидной цепи.
  2. Вторичная структура: водородные связи между цепями пептидных групп в альфа-спирали или бета-листе.
  3. Третичная структура: трехмерная структура сложенных альфа-спиралей и бета-спиралей.
  4. Четвертичная структура: трехмерная структура нескольких полипептидов и то, как они сочетаются друг с другом.
Процесс денатурации:
  1. Функциональный белок четвертичной структуры
  2. Под воздействием тепла изменяются внутримолекулярные связи белка.
  3. Разворачивание полипептидов (аминокислот)

Фон

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]

Как происходит денатурация на уровнях структуры белка

Потеря функции

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 .

Потеря активности из-за тяжелых металлов и металлоидов

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.

Обратимость и необратимость

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 белка из-за pH

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]

Денатурация нуклеиновой кислоты

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.

Биологически индуцированная денатурация

Денатурация ДНК происходит, когда нарушаются водородные связи между парами 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]

Денатурация из-за химических агентов

Формамид денатурирует ДНК, разрушая водородные связи между парами оснований. Оранжевые, синие, зеленые и фиолетовые линии представляют собой аденин, тимин, гуанин и цитозин соответственно. Три короткие черные линии между основаниями и молекулами формамида представляют собой вновь образовавшиеся водородные связи.

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]

Химическая денатурация как альтернатива

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]

Денатурация из-за воздуха

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]

Приложения

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

Денатуранты

Белковые денатуранты

Кислоты

Кислые денатуранты белка включают:

Базы

Основания при денатурации действуют аналогично кислотам. Они включают:

Растворители

Большинство органических растворителей денатурируют, в том числе :

Сшивающие реагенты

Сшивающие агенты для белков включают: [ нужна ссылка ]

Хаотропные агенты

Хаотропные агенты включают : _

Восстановители дисульфидных связей

Агенты, разрушающие дисульфидные связи путем восстановления , включают :

Химически реактивные вещества

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.

Другой

Денатуранты нуклеиновых кислот

Химическая

Кислые денатуранты нуклеиновых кислот включают:

Основные денатуранты нуклеиновых кислот включают:

Другие денатуранты нуклеиновых кислот включают:

Физический

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Медицинский словарь Мосби (8-е изд.). Эльзевир . 2009 . Проверено 1 октября 2013 г.
  2. ^ Самсон, Андре Л.; Хо, Боско; Ау, Аманда Э.; Шенвальдер, Симона М.; Смит, Марк Дж.; Боттомли, Стивен П.; Кляйфельд, Одед; Медкалф, Роберт Л. (1 ноября 2016 г.). «Физико-химические свойства, которые контролируют агрегацию белка, также определяют, будет ли белок сохраняться или высвобождаться из некротических клеток». Открытая биология . 6 (11): 160098. doi :10.1098/rsob.160098. ISSN  2046-2441. ПМЦ 5133435 . ПМИД  27810968. 
  3. ^ Самсон, Андре Л.; Кнаупп, Аня С.; Сашиндранатх, Майтхили; Борг, Рэйчел Дж.; Ау, Аманда Э.-Л.; Копы, Элиза Дж.; Сондерс, Хелен М.; Коди, Стивен Х.; Маклин, Катриона А. (25 октября 2012 г.). «Нуклеоцитоплазматическая коагуляция: событие агрегации, вызванное повреждением, которое дисульфид сшивает белки и облегчает их удаление плазмином». Отчеты по ячейкам . 2 (4): 889–901. дои : 10.1016/j.celrep.2012.08.026 . ISSN  2211-1247. ПМИД  23041318.
  4. ^ «2.5: Денатурация белков». Химия LibreTexts . 15 июля 2019 г. Проверено 25 апреля 2022 г.
  5. ^ Мой, Ёсинори; Нотоми, Тацуши; Хага, Нориюки (1990). «Термически индуцированные изменения в белках яичного белка». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 38 (12): 2122–2125. дои : 10.1021/jf00102a004.
  6. ^ «Севиче: новые суши», The Times.
  7. ^ abc Бондос, Сара (2014). «Сворачивание белка». Доступ к науке . дои : 10.1036/1097-8542.801070.
  8. ^ «Денатурация». Наука в контексте . 3 апреля 2006 г.
  9. ^ Дайсон, Х. Джейн ; Райт, Питер Э. (01 марта 2005 г.). «Самостоятельно неструктурированные белки и их функции». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 6 (3): 197–208. дои : 10.1038/nrm1589. ISSN  1471-0072. PMID  15738986. S2CID  18068406.
  10. ^ Чарльз Танфорд (1968), «Денатурация белка» (PDF) , «Достижения в области химии белков» , 23 : 121–282, doi : 10.1016/S0065-3233(08)60401-5, ISBN 9780120342235, PMID  4882248, заархивировано (PDF) из оригинала 10 ноября 2005 г.
  11. ^ Биологический онлайн-словарь (2 декабря 2020 г.), Определение и примеры денатурации.
  12. ^ abcdef Тамаш, Маркус Дж.; Шарма, Сандип К.; Ибстедт, Себастьян; Джейкобсон, Тереза; Кристен, Филипп (04 марта 2014 г.). «Тяжелые металлы и металлоиды как причина неправильного сворачивания и агрегации белков». Биомолекулы . 4 (1): 252–267. дои : 10.3390/biom4010252 . ПМК 4030994 . ПМИД  24970215. 
  13. ^ Кэмпбелл, Северная Каролина; Рис, Дж. Б.; Мейерс, Н.; Урри, Луизиана; Каин, ML; Вассерман, SA; Минорский, П.В.; Джексон, РБ (2009), Биология (8-е издание, австралийская версия), Сидней: Pearson Education Australia
  14. ^ Анфинсен CB. (1973), «Принципы, управляющие сворачиванием белковых цепей», Science , 181 (4096): 223–30, Bibcode : 1973Sci...181..223A, doi : 10.1126/science.181.4096.223, PMID  4124164, S2CID  10151090
  15. ^ Ветлауфер, Д.Б. (1988). «Обратимая и необратимая денатурация белков в хроматографических системах». Макромолекулярная химия. Макромолекулярные симпозиумы . 17 (1): 17–28. дои : 10.1002/masy.19880170104. ISSN  0258-0322.
  16. ^ Аб Конерманн, Ларс (15 мая 2012 г.). «Развертывание белка и денатуранты». Энциклопедия наук о жизни . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons, Ltd. doi : 10.1002/9780470015902.a0003004.pub2. ISBN 978-0470016176. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  17. ^ аб Сикард, Франсуа; Дестейнвилл, Николас; Манги, Маноэль (21 января 2015 г.). «Пузыри денатурации ДНК: ландшафт свободной энергии и скорость зарождения / закрытия». Журнал химической физики . 142 (3): 034903. arXiv : 1405.3867 . Бибкод : 2015JChPh.142c4903S. дои : 10.1063/1.4905668. PMID  25612729. S2CID  13967558.
  18. ^ Лью, Саймон. «Модель Польши-Шераги». (2015): 0–5. Массачусетский технологический институт, 14 мая 2015 г. Интернет. 25 октября 2016 г.
  19. ^ Ричард, К. и А.Дж. Гуттманн. «Модели Польши – Шераги и переход денатурации ДНК». Журнал статистической физики 115.3/4 (2004): 925-47. Веб.
  20. ^ abc Альтан-Бонне, Грегуар; Либхабер, Альберт; Кричевский, Олег (1 апреля 2003 г.). «Динамика пузырьков в двухцепочечной ДНК». Письма о физических отзывах . 90 (13): 138101. Бибкод : 2003PhRvL..90m8101A. doi : 10.1103/physrevlett.90.138101. PMID  12689326. S2CID  1427570.
  21. ^ abcd Ван, X (2014). «Характеристика денатурации и ренатурации ДНК для гибридизации ДНК». Гигиена окружающей среды и токсикология . 29 : e2014007. doi :10.5620/eht.2014.29.e2014007. ПМК 4168728 . ПМИД  25234413. 
  22. ^ Аб Мармур, Дж (1961). «Денатурация дезоксирибонуклеиновой кислоты формамидом». Биохимика и биофизика Acta . 51 (1): 91013–7. дои : 10.1016/0006-3002(61)91013-7. ПМИД  13767022.
  23. ^ «Денатурирующий электрофорез ДНК и РНК в полиакриламидном геле». Электрофорез . Национальная диагностика. 15 августа 2011 года . Проверено 13 октября 2016 г.
  24. ^ Тиноко, я; Бустаманте, К; Маэстре, М (1980). «Оптическая активность нуклеиновых кислот и их агрегатов». Ежегодный обзор биофизики и биоинженерии . 9 (1): 107–141. doi : 10.1146/annurev.bb.09.060180.000543. ПМИД  6156638.
  25. ^ Фернандес, М (2002). «Расчет гидродинамических свойств малых нуклеиновых кислот по их атомной структуре». Исследования нуклеиновых кислот . 30 (8): 1782–8. дои : 10.1093/нар/30.8.1782. ПМЦ 113193 . ПМИД  11937632. 
  26. ^ аб Мазерс, TL; Шеффлер, Г.; МакГлинн, СП (июль 1985 г.). «Влияние выбранных газов на этанол: разрыв водородной связи с помощью O и N». Канадский химический журнал . 63 (7): 1864–1869. дои : 10.1139/v85-309 .
  27. ^ Кокс, Дэвид Л. Нельсон, Майкл М. (2008). Ленингерские принципы биохимии (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 9780716771081.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  28. ^ аб Мазерс, TL; Шеффлер, Г.; МакГлинн, СП (1982). «Разрыв водородной связи O/sub 2/ и N/sub 2/. II. Кривые плавления ДНК» (PDF) . дои : 10.2172/5693881. OSTI  5693881. Архивировано (PDF) из оригинала 24 июля 2018 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  29. ^ Лопес-Алонсо Х.П., Брюикс М., Фонт Дж., Рибо М., Виланова М., Хименес М.А., Санторо Дж., Гонсалес С., Лорентс Д.В. (2010), «ЯМР-спектроскопия показывает, что РНКаза А в основном денатурируется в 40% уксусной кислоте: последствия для образования олигомеров путем трехмерной замены доменов», J. Am. хим. Соц. , 132 (5): 1621–30, doi : 10.1021/ja9081638, PMID  20085318
  30. ^ Яремко, М.; Яремко Л; Ким ХИ; Чо МК; Швитерс CD; Гиллер К; Беккер С; Цвекстеттер М. (апрель 2013 г.). «Холодная денатурация димера белка, контролируемая с атомным разрешением». Нат. хим. Биол. 9 (4): 264–70. дои : 10.1038/nchembio.1181. ПМК 5521822 . ПМИД  23396077.  

Внешние ссылки