Введение

Потеря структуры в белках и нуклеиновых кислотах из-за внешнего воздействия

В биохимии денатурация – это процесс, при котором белки или нуклеиновые кислоты теряют четвертичную, третичную и вторичную структуры, присутствующие в их нативном состоянии, под воздействием внешнего стресса или соединения, такого как сильная кислота или щелочь, концентрированная неорганическая соль, органический растворитель (например, спирт или хлороформ), перемешивание и радиация, или тепло. Если белки в живой клетке денатурируют, 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 изменения конформации и потери растворимости или диссоциации кофакторов до агрегации из-за обнажения гидрофобных групп. Потеря растворимости, возникающая в результате денатурации, называется коагуляцией. Денатурированные белки теряют свою трехмерную структуру и, следовательно, не могут выполнять свои функции. Правильное сворачивание белка имеет решающее значение для того, чтобы глобулярный или мембранный белок мог правильно выполнять свою работу; он должен быть свернут в нативную форму для функционирования. Однако водородные связи и связывание кофакторов с белком, которые играют важную роль в сворачивании, относительно слабы и, следовательно, легко подвержены воздействию тепла, кислотности, различной концентрации солей, хелатирующих агентов и других стрессовых факторов, которые могут денатурировать белок. Это одна из причин, по которой клеточный гомеостаз физиологически необходим для большинства форм жизни. Это понятие не связано с денатурированным спиртом, который представляет собой спирт, смешанный с добавками, чтобы сделать его непригодным для употребления человеком.

Распространенные примеры

Когда пища готовится, некоторые из её белков денатурируются. Именно поэтому вареные яйца становятся твердыми, а приготовленное мясо – плотным. Классический пример денатурирования белков – это яичные белки, которые в основном состоят из яйцеальбуминов в воде. Свежие яичные белки прозрачные и жидкие. При нагревании термонестабильных белков они становятся непрозрачными, образуя взаимосвязанную твердую массу. Та же трансформация может быть достигнута с помощью денатурирующего химического вещества. Если вылить яичные белки в стакан с ацетоном, они также станут мутными и твердыми. Плёнка, образующаяся на свернувшемся молоке, – ещё один распространенный пример денатурированного белка. Холодная закуска, известная как севиче, готовится путем химического "приготовления" сырой рыбы и морепродуктов в кислом цитрусовом маринаде, без применения тепла.

Денотурация белков

Денатурированные белки могут проявлять широкий спектр свойств, от потери растворимости до агрегации.

Предыстория

Белки или полипептиды являются полимерами аминокислот. Белок создается рибосомами, которые "считывают" РНК, закодированную кодонами в гене, и собирают необходимую комбинацию аминокислот на основе генетической инструкции в процессе, известном как трансляция. Вновь созданная белковая цепь затем подвергается посттрансляционной модификации, в ходе которой добавляются дополнительные атомы или молекулы, например медь, цинк или железо. После завершения этого процесса посттрансляционной модификации белок начинает сворачиваться (иногда спонтанно, а иногда с помощью ферментативной помощи), скручиваясь таким образом, чтобы гидрофобные элементы белка оказались погребены глубоко внутри структуры, а гидрофильные элементы – снаружи. Окончательная форма белка определяет, как он взаимодействует с окружающей средой. Сворачивание белка представляет собой баланс между значительным количеством слабых внутримолекулярных взаимодействий внутри белка (гидрофобных, электростатических и ван-дер-ваальсовых взаимодействий) и взаимодействиями белка с растворителем. В результате этот процесс сильно зависит от состояния окружающей среды, в которой находится белок. Когда белок денатурируется, вторичная и третичная структуры изменяются, но пептидные связи первичной структуры между аминокислотами остаются неповрежденными. Поскольку все структурные уровни белка определяют его функцию, белок больше не может выполнять свою функцию после денатурации. Это отличается от белков, внутренне не имеющих структуры, которые развернуты в своем естественном состоянии, но все еще функционально активны и склонны к сворачиванию при связывании со своей биологической мишенью.

Потеря функции

Большинство биологических субстратов теряют свою биологическую функцию при денатурации. Например, ферменты теряют свою активность, поскольку субстраты больше не могут связываться с активным центром, а аминокислотные остатки, участвующие в стабилизации переходных состояний субстратов, больше не оказываются в необходимом положении для этого. Процесс денатурации и связанная с ним потеря активности могут быть измерены с помощью таких методов, как интерферометрия двойной поляризации, CD, QCM D и MP SPR.

Потеря активности из-за тяжелых металлов и металлоидов

Известно, что, воздействуя на белки, тяжелые металлы нарушают их функцию и активность. Важно отметить, что тяжелые металлы включают в себя переходные металлы, а также некоторые металлоиды. Это понимание привело к идее о том, что вся информация, необходимая белку для приобретения своей нативной конформации, закодирована в его первичной структуре, а значит, и в ДНК, кодирующей этот белок – так называемый «термодинамический гипотез Анфинсена». Денатурация также может быть необратимой. Эта необратимость, как правило, носит кинетический, а не термодинамический характер, поскольку сложенный белок обычно обладает более низкой свободной энергией, чем развернутый. Кинетическая необратимость может приводить к тому, что белок, застрявший в локальном минимуме энергии, больше не сможет вернуться в нативную конформацию после необратимой денатурации.

Денотурация белка вследствие pH

Денатурация может также быть вызвана изменениями pH, которые могут повлиять на химию аминокислот и их остатков. Ионизируемые группы в аминокислотах способны ионизироваться при изменении pH. Сдвиг pH в кислую или щелочную сторону может индуцировать разворачивание (денатурацию). Кислотно-индуцированное разворачивание часто происходит при pH от 2 до 5, а щелочно-индуцированное разворачивание обычно требует pH 10 или выше. Область частично разделенной ДНК известна как пузырь денатурации, который можно более конкретно определить как раскрытие двойной спирали ДНК посредством координированного разделения пар оснований. Однако модель Польски-Шераги в настоящее время считается упрощенной, поскольку она не учитывает влияние последовательности ДНК, химического состава, жесткости и торсионной подвижности. Недавние термодинамические исследования показали, что время жизни отдельного пузыря денатурации составляет от 1 микросекунды до 1 миллисекунды. Эта информация основана на известных временных масштабах репликации и транскрипции ДНК. Помимо денатурации нагреванием, нуклеиновые кислоты могут подвергаться денатурации под воздействием различных химических агентов, таких как формамид, гуанидин, салицилат натрия, диметилсульфоксид (ДМСО), пропиленгликоль и мочевина. Эти химические денатурирующие агенты снижают температуру плавления (Tm), конкурируя за доноры и акцепторы водородных связей с уже существующими азотистыми основаниями. Некоторые агенты способны вызывать денатурацию даже при комнатной температуре. Например, было показано, что щелочные агенты (например, NaOH) денатурируют ДНК, изменяя pH и удаляя протоны, участвующие в образовании водородных связей.

Химически реактивные агенты

Такие агенты, как перекись водорода, элементарный хлор, гипохлористая кислота (хлорная вода), бром, водный раствор брома, йод, азотная и окисляющие кислоты, а также озон, реагируют с чувствительными группами, такими как сульфиды/тиолы и активированные ароматические кольца (например, фенилаланин), повреждая белок и лишая его функциональности.