Определение денатурирования
Денатурирующий биологический молекула относится к потере своей трехмерной (3-D) структуры. Поскольку молекулы, такие как белки и ДНК, зависят от своей структуры для выполнения своей функции, денатурация сопровождается потерей функции. Однако денатурация не оказывает влияния на аминокислотную последовательность самого белка.
Структура белков
Структуру белка можно разделить на четыре уровня – первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Белки изготовлены из линейных полимеров аминокислоты и это формирует их первичную структуру. Даже когда полипептид синтезируется на рибосома, он начинает складываться и формировать элементы своей вторичной структуры. Наиболее распространенными признаками вторичной структуры белка являются альфа-спирали и бета-складчатые листы, образованные посредством обширной водородной связи. Эти локальные структуры, образованные соседними аминокислотами, затем собираются вместе, образуя третичная структура где остатки, которые находятся далеко друг от друга в первичной структуре, могут объединяться в одной и той же пространственной области. Это позволяет определенным аминокислотам присутствовать в активный сайт или для взаимодействия с другими молекулами и для поддержки других частей белка, которые складываются в отличительную форму.
Примеры денатурированных белков
Хотя денатурация белка вредна для клетка выживание, это часто встречается в повседневной жизни. Например, яичный белок в основном состоит из растворимых белков и является жидким и прозрачным в свежих яйцах. При кипячении тепло денатурирует белки и теряет их растворимость. Денатурированные белки агрегируют и образуют массу, которая теперь непрозрачна и тверда. Аналогичным образом, изменение рН молока путем добавления кислот, таких как лимонная кислота, из лимонного сока, приводит к денатурации молочных белков и сгущает молоко. Твердая белая часть, которая отделяется от сыворотки, представляет собой денатурированный белок. Это также можно увидеть, когда молоко естественным образом сжимается из-за бактериальной колонизации. бактерии может производить молочную кислоту как побочный продукт обмена веществ. При правильном контроле этот процесс денатурации используется для приготовления йогурта и свежего сыра.
Денатурированные белки участвуют в ряде заболеваний, от болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера до хореи Хантингтона. Люди, страдающие от этих болезней, имеют ненормально свернутые белки в некоторой части своего тела, с головной мозг а также нервная система быть особенно восприимчивым. Кроме того, одной из основных причин слепоты является наличие денатурированных белков в хрусталике глаза. В этом случае считается, что денатурация возникает из-за старения или из-за чрезмерного воздействия УФ-излучения.
Типы денатурации
Денатурация может быть классифицирована на основе агента, который заставляет белок терять свою вторичную, третичную или четвертичную структуру. Водородные связи, ионные взаимодействия, гидрофобный взаимодействия и силы Ван дер Ваала участвуют в удержании этих структур вместе. Такие нековалентные взаимодействия нарушаются рядом факторов, включая тепло, излучение, органические растворители, кислоты, основания и соли, поскольку они могут изменять гидрофобные взаимодействия внутри белка, влиять на водородные связи и мешать ионным взаимодействиям.
Тип I: денатурация по изменению рН
РН решение оказывает важное влияние на структуру белка, потому что он изменяет количество и характер водородных связей и ионных взаимодействий, которые имеют место между различными аминокислотами. При физиологическом pH многие аминокислотные боковые цепи заряжаются из-за потери или усиления иона водорода.
На самом деле, большинство аминокислот существуют в виде цвиттериона внутри клеток.
Когда атом водорода ковалентно связан с сильно электроотрицательным атомом, таким как кислород или азот, он получает частичный положительный заряд. Из-за небольшого размера атома водорода этот частичный заряд достаточен для создания высокой плотности заряда, которая может оказывать сильное притяжение неподеленной пары электронов на другом атоме. Это притяжение лежит в основе водородной связи. Он чувствителен к изменениям рН, потому что изменение концентрации ионов водорода может изменить природу функциональных групп. Например, аминокислоты, такие как аспарагин, цистеин или тирозин, содержат полярные группы в своих боковых цепях. Эти атомы могут взаимодействовать друг с другом посредством водородных связей на основе их пространственной близости и ориентации различных боковых цепей. Однако при изменении pH эти полярные группы могут протонироваться или депротонироваться, изменяя их способность образовывать водородные связи. Кроме того, образование альфа-спирали или бета-плиссированного листа включает образование водородных связей между карбоксилатными и аминными группами каждой аминокислоты. Если большое количество таких взаимодействий прерывается, белок разворачивается и становится денатурированным.
Наконец, pH влияет на общий заряд полипептида, и это влияет на растворимость белка. Если суммарный заряд белка становится равным нулю, он может накапливаться и выпадать в осадок.
Тип II: Химическая денатурация
Некоторые химические вещества и органические растворители могут вызывать денатурацию белка. Органические растворители разрушают структуру белка, потому что большинство белков изолируют свои гидрофобные остатки по направлению к центру молекулы, когда они складываются в свою уникальную форму. По существу, трехмерная структура полипептида оптимизирует энергию молекулы, снижая взаимодействие гидрофобных боковых цепей с водной средой. Присутствие химических веществ, таких как бензол или этанол, изменяет эти взаимодействия и может иногда приводить к «переворачиванию» белка, когда внутренние остатки присутствуют снаружи с потерей структуры и функции.
Моющие средства и другие амфипатический молекулы также могут быть особенно разрушительными. Эти молекулы имеют тот же эффект, разрушая гидрофобные взаимодействия и водородные связи. Вспенивание, наблюдаемое во время экстракции белка в лабораториях, а также пена, связанная с бытовыми моющими средствами, частично объясняется их денатурирующим действием на белки. Тяжелые металлы и высокие концентрации соли могут влиять на образование ионных связей, в то время как хаотропные агенты, такие как мочевина, могут оказывать значительное разрушительное воздействие на сеть водородных связей.
Тип III: денатурация теплом и радиацией
Когда температура биологического образца увеличивается, это приводит к общему увеличению кинетической энергии каждого атома и увеличению энтропии системы. Все атомы и молекулы начинают сталкиваться друг с другом с более высокой энергией, а также с увеличением поступательного, вращательного и вибрационного движения. Это снижает прочность водородных связей и ослабляет влияние неполярных гидрофобных взаимодействий. Это одна из причин, по которой организм использует высокую температуру для борьбы с инфекциями. Это попытка замедлить или остановить рост микроорганизмов, чтобы иммунная система могла очистить болезнетворные микроорганизмы. Тем не менее, длительная высокая температура может также нанести вред белкам внутри хозяина, поэтому температуры выше 104 градусов по Фаренгейту (40 градусов Цельсия) считаются опасными. Длительное воздействие солнечного излучения также приводит к потере структуры белка. Солнечные ожоги и катаракта в глазу – только два примера его вредных эффектов. Излучение от других источников (таких как рентгеновский аппарат или от радиоактивных материалов) также может вызвать повреждение белков и привести к ряду заболеваний.
Функции денатурации
Воздействие тепла и излучения на белки также имеет свои преимущества. Пища, особенно мясо, готовится для того, чтобы денатурировать белки внутри и облегчить их переваривание. Многие упакованные пищевые продукты облучают, чтобы денатурировать бактериальные белки и гарантировать, что пища может храниться в течение длительных периодов времени. Организм также выделяет сильные кислоты в желудок для того, чтобы убить патогены и денатурировать белки в пище. Действие пищеварительных ферментов усиливается, когда белок разворачивается, потому что пептидазы получают доступ ко всем ковалентным связям, удерживающим полипептид вместе.
Кроме того, денатурация также участвует в изменениях в трехмерной структуре нуклеиновых кислот. Когда две нити ДНК раскручиваются, говорят, что они подвергаются денатурации. Этот тип денатурации важен для транскрипция и репликация ДНК. Он также используется в лабораторных методах, таких как полимеразная цепная реакция, для получения большого количества копий ДНК за короткий промежуток времени.
Эффекты денатурации
Денатурация приводит к потере функции белка. В ферменте на основе белка это может быть небольшое изменение в конформации активный сайт что делает его неспособным катализировать реакцию. Для белков, подобных антителам, потеря формы лишает их способности распознавать и связывать антигены. Когда большое количество белков в клетке денатурируется, клетка подвергается серьезному стрессу при удалении этих молекул и синтезе функционального белка. Когда этот процесс переполняет клетку, она либо подвергается апоптоз или вызывает болезнь. В связи с влиянием денатурации белка на формирование заболевания было интересно проанализировать, возможно ли побудить белок переродиться в свою первоначальную форму после денатурации. До сих пор исследованиям in vitro удалось добиться такого изменения только в нескольких белках, таких как сывороточный альбумин, РНКаза и гемоглобин.
- амфифильных – молекула, содержащая гидрофильный и гидрофобные части.
- Электроотрицательность – мера способности атома привлекать пару электронов. Обычно используется по отношению к полярному Ковалентная связь где электронное облако наклонено к атому, который является более электроотрицательным.
- Энтропия – Мера степени беспорядка в системе, которая связана с энергией системы, недоступной для механической работы.
- Гидрофобные остатки – аминокислоты, содержащие гидрофобную боковую цепь, присоединенную к альфа-углероду, в дополнение к содержащей одну аминную и одну карбоновую функциональную группу.
викторина
1. Какие из этих связей НЕ обычно участвуют в создании вторичной или третичной структуры белка?A. Водородные связиB. Ковалентные связиC. Ионные взаимодействияD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 1
В верно. Ковалентные связи обычно не участвуют в создании вторичной или третичной структуры белка. Хотя ковалентные связи важны для формирования линейных полимеров аминокислот, они не имеют первостепенного значения в структурах более высокого порядка. Дисульфидные мостики являются исключениями из этого правила. Тем не менее, в восстановительной среде, такой как цитозоль Дисульфидные мостики встречаются не часто.
2. Почему изменение рН приводит к денатурации белка?A. Изменяет первичную аминокислотную последовательностьB. Изменяет электроотрицательность атомаC. Изменяет образование водородной связи между различными остаткамиD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 2
С верно. Изменения pH напрямую не влияют на ковалентные связи. Следовательно, они не изменяют первичную аминокислотную последовательность. Электроотрицательность атома не изменяется и не зависит от рН.
3. Какой из этих белков был успешно перенесен?A. ГемоглобинB. РНКазыC. Сывороточный альбуминD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
D верно. Сообщалось, что все три белка проходят успешную ренатурацию in vitro с возвращением функции и трехмерной структуры.