Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының сыртқы әсерден құрылымдық қасиеттерін жоғалтуы
Loss of structure in proteins and nucleic acids due to external stress
Биохимияда денатурация – бұл ақуыздар немесе нуклеин қышқылдарының табиғи күйдегі төртінші, үшінші және екінші құрылымдарын күшті қышқыл немесе сілте, концентрленген бейорганикалық тұз, органикалық еріткіш (мысалы, спирт немесе хлороформ), қоздыру, сәулелену немесе жылу сияқты сыртқы әсер немесе қосылыстардың нәтижесінде жоғалту процесі. Егер тірі жасушадағы ақуыздар денатурацияланса, бұл жасушаның қызметін бұзады және жасушаның өліміне алып келуі мүмкін. Ақуыздың денатурациясы жасуша өлімінің де салдары болуы мүмкін. Денатурацияланған ақуыздар конформациялық өзгерістерден, ерігіштігін жоғалтудан немесе кофакторлардың диссоциациясынан, гидрофобтық топтардың әсерінен агрегацияға дейін әртүрлі қасиеттерді көрсете алады. Денатурация нәтижесінде ерігіштіктің жоғалуы коагуляция деп аталады. Денатурацияланған ақуыздар үш өлшемді құрылымын жоғалтады, сондықтан олар өз функцияларын орындай алмайды. Ақуыздың дұрыс бүгілуі – шар тәрізді немесе мембраналық ақуыздың өз жұмысын дұрыс атқаруына байланысты; олар функцияларын орындау үшін табиғи пішінге бүгілуі керек. Дегенмен, бүгілуде маңызды рөл атқаратын сутекті байланыстар және кофакторлы ақуыздардың байланысы өте әлсіз, сондықтан жылу, қышқылдық, тұз концентрациясының өзгеруі, хелаттаушы заттар және ақуызды денатурациялай алатын басқа да стресс факторлары оңай әсер етеді. Осы себепті, көптеген тірі организмдерде жасушалық гомеостаз физиологиялық тұрғыдан қажет. Бұл тұжырым денатурацияланған спиртпен байланысты емес, ол адамдарға қолдануға жарамсыз ету үшін қоспалар қосылған спирт.
In biochemistry, denaturation is a process in which proteins or nucleic acids lose the quaternary structure, tertiary structure, and secondary structure which is present in their native state, by application of some external stress or compound, such as a strong acid or base, a concentrated inorganic salt, an organic solvent (e. g., alcohol or chloroform), agitation and radiation, or heat. If proteins in a living cell are denatured, this results in disruption of cell activity and possibly cell death. Protein denaturation is also a consequence of cell death. Denatured proteins can exhibit a wide range of characteristics, from conformational change and loss of solubility or dissociation of cofactors to aggregation due to the exposure of hydrophobic groups. The loss of solubility as a result of denaturation is called coagulation. Denatured proteins lose their 3D structure, and therefore, cannot function. Proper protein folding is key to whether a globular or membrane protein can do its job correctly; it must be folded into the native shape to function. However, hydrogen bonds and cofactor protein binding, which play a crucial role in folding, are rather weak, and thus, easily affected by heat, acidity, varying salt concentrations, chelating agents, and other stressors which can denature the protein. This is one reason why cellular homeostasis is physiologically necessary in most life forms. This concept is unrelated to denatured alcohol, which is alcohol that has been mixed with additives to make it unsuitable for human consumption.
Ортақ мысалдар
Тамақ пісірілген кезде оның кейбір ақуыздары денатурацияланады. Сондықтан қайнатылған жұмыртқалар қатты болады, ал пісірілген ет нығыздалады. Ақуыздардағы денатурацияның классикалық мысалы – жұмыртқа ақуызы, ол әдетте судағы жұмыртқа альбуминінен тұрады. Жұмыртқадан алынғанда ақуызы мөлдір және сұйық болады. Термиялық тұрақсыз ақуызды пісірген кезде ол мөлдірлігін жойып, біріккен қатты массаға айналады. Осындай өзгерісті денатурациялайтын химиялық зат арқылы да жасауға болады. Жұмыртқа ақуызын ацетон құйылған стақанға құйсаңыз, ол да мөлдірден қатты күйге өтеді. Қымыздың үстінде пайда болатын қабықша – денатурацияланған ақуыздың тағы бір кең таралған мысалы. Севиче деп аталатын суық тағам шикі балық пен теңіз өнімдерін қышқыл цитрус маринадта химиялық түрде "пісіру" арқылы дайындалады, яғни қыздырусыз.
When food is cooked, some of its proteins become denatured. This is why boiled eggs become hard and cooked meat becomes firm. A classic example of denaturing in proteins comes from egg whites, which are typically largely egg albumins in water. Fresh from the eggs, egg whites are transparent and liquid. Cooking the thermally unstable whites turns them opaque, forming an interconnected solid mass. The same transformation can be effected with a denaturing chemical. Pouring egg whites into a beaker of acetone will also turn egg whites translucent and solid. The skin that forms on curdled milk is another common example of denatured protein. The cold appetizer known as ceviche is prepared by chemically "cooking" raw fish and shellfish in an acidic citrus marinade, without heat.
Белоктарды денатурациялау
Денатурацияланған ақуыздар ерігіштігін жоғалтудан ақуыздың бірігуіне дейін әртүрлі қасиеттерді көрсете алады.
Denatured proteins can exhibit a wide range of characteristics, from loss of solubility to protein aggregation.
Өмірбаян
Белоктар немесе полипептидтер – аминқышқылдарының полимерлері. Белок рибосомалардың гендегі кодонмен кодталған РНК-ны "оқуы" және генетикалық нұсқау бойынша қажетті аминқышқылдарының комбинациясын құрастыру процесінде пайда болады, бұл процесс трансляция деп аталады. Жаңадан құрылған белок тізбегі кейіннен посттрансляциялық модификацияға ұшырайды, онда қосымша атомдар немесе молекулалар қосылады, мысалы, мыс, мырыш немесе темір. Бұл посттрансляциялық модификация процесі аяқталғаннан кейін, белок бүктеле бастайды (кейде спонтанды түрде, кейде ферменттік көмекпен), өзіне оралып, белоктың гидрофобты элементтері құрылымның ішкі жағына көміліп, гидрофильді элементтері сыртқа шығады. Белоктың соңғы пішіні оның қоршаған ортамен өзара әрекеттесуін анықтайды. Белоктың бүктелуі – ақуыз ішіндегі көптеген әлсіз молекулалық өзара әрекеттесулердің (гидрофобтық, электростатикалық және Ван дер Ваальс өзара әрекеттесулері) мен ақуыз-еріткіш өзара әрекеттесулердің тепе-теңдігінен тұрады. Сондықтан, бұл процесс белоктың жатқан ортасының жай-күйіне өте тәуелді. Белок денатурацияланғанда, екінші және үшінші деңгейдегі құрылымдары өзгереді, бірақ аминқышқылдары арасындағы бірінші деңгейдегі пептидтік байланыстар бұзылмайды. Белоктың барлық құрылымдық деңгейлері оның функциясын анықтайтындықтан, денатурацияланғаннан кейін ол енді өз функциясын орындай алмайды. Бұл, туған күйінде бүктеле алмаған, бірақ функционалдық белсенді және биологиялық нысанаға байланысқанда бүктелуге бейім болатын өздігінен құрылымсыз белоктардан өзгеше.
Proteins or polypeptides are polymers of amino acids. A protein is created by ribosomes that "read" RNA that is encoded by codons in the gene and assemble the requisite amino acid combination from the genetic instruction, in a process known as translation. The newly created protein strand then undergoes posttranslational modification, in which additional atoms or molecules are added, for example copper, zinc, or iron. Once this post translational modification process has been completed, the protein begins to fold (sometimes spontaneously and sometimes with enzymatic assistance), curling up on itself so that hydrophobic elements of the protein are buried deep inside the structure and hydrophilic elements end up on the outside. The final shape of a protein determines how it interacts with its environment. Protein folding consists of a balance between a substantial amount of weak intra molecular interactions within a protein (Hydrophobic, electrostatic, and Van Der Waals Interactions) and protein solvent interactions. As a result, this process is heavily reliant on environmental state that the protein resides in. When a protein is denatured, secondary and tertiary structures are altered but the peptide bonds of the primary structure between the amino acids are left intact. Since all structural levels of the protein determine its function, the protein can no longer perform its function once it has been denatured. This is in contrast to intrinsically unstructured proteins, which are unfolded in their native state, but still functionally active and tend to fold upon binding to their biological target.
Функция жоғалуы
Көптеген биологиялық субстраттар денатұрланған кезде өзінің биологиялық қызметін жоғалтады. Мысалы, ферменттер өздерінің активтілігін жоғалтады, себебі субстраттар енді активті орынға байланыса алмайды, сондай-ақ субстраттардың өтпелі күйлерін тұрақтандыруға қатысатын аминқышқыл қалдықтары оны істеуге қабілетті емес болады. Денетұрлану процесі мен оған байланысты активтіліктің жоғалуын екі поляризациялық интерферометрия, CD, QCM D және MP SPR сияқты техникалар арқылы өлшеуге болады.
Most biological substrates lose their biological function when denatured. For example, enzymes lose their activity, because the substrates can no longer bind to the active site, and because amino acid residues involved in stabilizing substrates' transition states are no longer positioned to be able to do so. The denaturing process and the associated loss of activity can be measured using techniques such as dual polarization interferometry, CD, QCM D and MP SPR.
Ауыр металдар мен металлоидтардан болатын белсенділіктің жоғалуы
Ауыр металдар белоктарды нысанаға алып, олардың функциясы мен қызметін бұзуы белгілі. Ауыр металдардың құрамына өтпел металдармен қатар, кейбір металлоидтар да кіреді екені маңызды. Осы түсінік ақуыздың табиғи күйін қабылдауы үшін қажетті барлық ақпарат ақуыздың бастапқы құрылымында, демек, оны кодтайтын ДНК-да жазылған деген ойға келді, бұл "Анфинсеннің термодинамикалық гипотезасы" деп аталады. Денатурация да қайтымсыз болуы мүмкін. Бұл қайтымсыздық көбінесе термодинамикалық емес, кинетикалық қайтымсыздық болып табылады, себебі жиналған белоктың еркін энергиясы, одан жазылуына қарағанда төмен болады. Кинетикалық қайтымсыздық арқасында белоктың жергілікті минимумда тұрып қалуы, оның қайтымсыз денатурацияланғаннан кейін қайта жиналуына кедерес жасайды.
By targeting proteins, heavy metals have been known to disrupt the function and activity carried out by proteins. It is important to note that heavy metals fall into categories consisting of transition metals as well as a select amount of metalloid. This understanding has led to the notion that all the information needed for proteins to assume their native state was encoded in the primary structure of the protein, and hence in the DNA that codes for the protein, the so called "Anfinsen's thermodynamic hypothesis". Denaturation can also be irreversible. This irreversibility is typically a kinetic, not thermodynamic irreversibility, as a folded protein generally has lower free energy than when it is unfolded. Through kinetic irreversibility, the fact that the protein is stuck in a local minimum can stop it from ever refolding after it has been irreversibly denatured.
РН әсерінен протеиннің денатурациясы
Денетурация аминқышқылы мен олардың қалдықтарының химиясына әсер ететін pH-тың өзгеруінен де туындауы мүмкін. Аминқышқылының иондалатын топтары pH өзгерген кезде иондануға қабілетті. pH-тың қышқылды немесе сілтілі жағдайларға өзгеруі құрылымның ашылуына әкелуі мүмкін. Қышқылдың әсерінен болатын ашылу көбінесе pH 2 мен 5 аралығында жүзеге асады, ал сілтінің әсерінен болатын ашылу әдетте pH 10 немесе одан жоғары деңгейде қажетті. Ішінара бөлінген ДНК аймағы денатюрациялық көпіршік деп аталады, ол ДНК-ның қос спиралінің негіз жұптарының үйлесімді түрде бөлінуі арқылы ашылуы ретінде дәлірек анықталады. Алайда, Польша-Шерага моделі қазір қарапайым деп есептеледі, өйткені ол ДНК тізбегінің, химиялық құрамының, қатаңдығының және бұрылысының күрделі әсерін ескермейді. Жақында жүргізілген термодинамикалық зерттеулер жалғыз денатюрациялық көпіршіктің өмір сүру мерзімі 1 микросекундтан 1 миллисекундқа дейін болатынын көрсетеді. Бұл ақпарат ДНК репликациясы мен транскрипциясының белгілі уақыт өлшемдеріне негізделген. Жылу арқылы болатын денатюрациядан басқа, нуклеин қышқылы формамид, гуанидин, натрий салицилаты, диметилсульфоксид (DMSO), пропиленгликоль және мочевина сияқты әртүрлі химиялық заттар арқылы да денатюрация процесіне түсуі мүмкін. Бұл химиялық денатюрациялаушы заттар еріту температурасын (Tm) төмендетеді, себебі олар бұрыннан бар азотты негіз жұптарымен сутегі байланысының доноры мен акцепторы үшін бәсекелеседі. Кейбір заттар тіпті бөлме температурасында денатюрацияны тудыруға қабілетті. Мысалы, сілтілік заттар (мысалы, NaOH) pH-ты өзгертіп және сутегі байланысына қатысатын протонды алып тастау арқылы ДНК-ны денатюрлендіреді.
Denaturation can also be caused by changes in the pH which can affect the chemistry of the amino acids and their residues. The ionizable groups in amino acids are able to become ionized when changes in pH occur. A pH change to more acidic or more basic conditions can induce unfolding. Acid induced unfolding often occurs between pH 2 and 5, base induced unfolding usually requires pH 10 or higher. The area of partially separated DNA is known as the denaturation bubble, which can be more specifically defined as the opening of a DNA double helix through the coordinated separation of base pairs. However, the Poland Scheraga Model is now considered elementary because it fails to account for the confounding implications of DNA sequence, chemical composition, stiffness and torsion. Recent thermodynamic studies have inferred that the lifetime of a singular denaturation bubble ranges from 1 microsecond to 1 millisecond. This information is based on established timescales of DNA replication and transcription. Other than denaturation by heat, nucleic acids can undergo the denaturation process through various chemical agents such as formamide, guanidine, sodium salicylate, dimethyl sulfoxide (DMSO), propylene glycol, and urea. These chemical denaturing agents lower the melting temperature (Tm) by competing for hydrogen bond donors and acceptors with pre existing nitrogenous base pairs. Some agents are even able to induce denaturation at room temperature. For example, alkaline agents (e. g. NaOH) have been shown to denature DNA by changing pH and removing hydrogen bond contributing protons.
Химиялық реактивті агенттер
Сутек пероксиді, элементтік хлор, гипохлор қышқылы (хлорлы су), бром, бромды су, йод, азот қышқылы және тотықтырғыш қышқылдар, сондай-ақ озон сияқты заттар сульфид/тиол, белсенді хош иісті сақиналар (фенилаланин) сияқты сезімтал топтармен реакцияға түсіп, нәтижесінде ақуызға зиян келтіріп, оны қолдануға жарамсыз етеді.
Agents such as hydrogen peroxide, elemental chlorine, hypochlorous acid (chlorine water), bromine, bromine water, iodine, nitric and oxidising acids, and ozone react with sensitive moieties such as sulfide/thiol, activated aromatic rings (phenylalanine) in effect damage the protein and render it useless.