Денатурация белков: факторы, вызывающие денатурацию белков: механизм тепловой денатурации белков. Свойства денатурированного белка. Ренатурация (ренативация). Практическое применение процесса денатурации белка.
advertisement
Оглавление Введение ................................................................................................................... 2 Денатурация белков ................................................................................................ 3 Факторы, вызывающие денатурацию белков ................................................... 3 Механизм тепловой денатурации белков .......................................................... 3 Свойства денатурированного белка ...................................................................... 4 Ренатурация (ренативация) .................................................................................... 5 Практическое применение процесса денатурации белка.................................... 6 Заключение .............................................................................................................. 7 Список литературы ................................................................................................. 8 Введение Денатурация – процесс, изменяющий молекулярную структуру и разрушающий прочные связи или соединения в молекулах белка. Белковые молекулы в их естественной форме имеют прочные связи и высокоупорядоченную и стабильную структуру. После денатурации белковой молекулы связи ослабевают, и молекула приобретает более рыхлую или беспорядочную структуру, большинство из которых нерастворимы. Данный процесс может быть вызван различными способами – например, нагреванием, обработкой щелочью, кислотой, мочевиной или детергентами, а также сильным встряхиванием. Например, когда пища готовится, как яйцо или мясо, она становится твердой из-за изменения молекул белка после получения достаточного количества тепла. Этот процесс можно обратить вспять, чтобы восстановить первоначальную структуру. Если удалить денатурирующий агент, в некоторых случаях первоначальная структура будет восстановлена. Этот процесс называется ренатурацией белков. Денатурация белков Факторы, вызывающие денатурацию белков Многие физические и химические условия поддерживают стабильность белковой молекулы. Если эти условия нарушаются, то молекулярная структура изменяется и приводит к разрушению. Температура в значительной степени поддерживает стабильность. Тепло может нарушить водородные связи и неполярные гидрофобные взаимодействия. Когда применяется тепло, оно заставляет молекулы вибрировать, и это увеличивает кинетическую энергию, что нарушает молекулярную структуру. При определенных изменениях уровня pH, температуры и химической структуры водородные связи нарушаются, что приводит к разворачиванию глобулярных белков и свертыванию спиральной структуры. Таким образом, происходит денатурация белков, и вторичные и третичные структуры разрушаются. Тяжелые соли нарушают структуру белковой молекулы так же, как и основания. Денатурация разрушает ковалентные связи и нарушает цепочки аминокислот. Например, спирт очень высокой концентрации может нарушить водородную связь в амидных группах во вторичной или третичной структуре белка в различных комбинациях аминокислот. Механизм тепловой денатурации белков Большинство белков эффективно функционируют только в ограниченном диапазоне температур – при слишком высоких температурах молекула белка станет денатурированной. Повышение температуры биологического образца 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 увеличивают поступательное, вращательное и колебательное движение. Это снижает прочность водородных связей и ослабляет влияние неполярных гидрофобных взаимодействий. Сильное нагревание может вызвать настолько сильную вибрацию атомов в молекуле белка, что водородные связи разорвутся, и она вернется к более волокнистой природе. 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 избавиться от патогенов. Свойства денатурированного белка При необратимом осаждении происходит глубокая денатурация белка, он теряет гидрофильные свойства и становится гидрофобным. Денатурированный белок не может восстановить свои первоначальные физико-химические и биологические свойства. Необратимые осадки вызываются высокой температурой, действием концентрированных минералов и некоторых органических кислот, ионов тяжелых металлов, алкалоидных реагентов, моющих средств, красителей. Различают 2 типа денатурации: Обратимая денатурация – ренатурация или реактивация – это процесс, при котором денатурированный белок после удаления денатурирующих веществ реорганизуется в исходную структуру с восстановлением биологической активности. Необратимая денатурация – это процесс, при котором биологическая активность не восстанавливается после удаления денатурирующих агентов. Свойства денатурированных белков: Увеличение количества реакционноспособных или функциональных групп относительно молекулы нативного белка (это группы COOH, NH2, SH, OH, группы боковых радикалов аминокислот); Снижение растворимости и осаждение белков (связанное с потерей гидратной оболочки), разворачивание белковой молекулы, с «обнаружением» гидрофобных радикалов и нейтрализацией зарядов полярных групп; Изменение конфигурации белковой молекулы; Потеря биологической активности, вызванная нарушением нативной структуры; Более легкое расщепление протеолитическими ферментами по сравнению с нативным белком – переход от компактной нативной структуры к рыхлой расширенной форме облегчает ферментам доступ к пептидным связям белка, которые они разрушают. Ренатурация (ренативация) Долгое время считалось, что процесс денатурации белков необратим. Однако было обнаружено, что некоторые очищенные и денатурированные белки способны восстанавливать конформацию в экспериментальных условиях после удаления денатурирующих агентов. Процесс денатурации белков может быть обратимым. Это открытие было сделано при изучении денатурации рибонуклеазы, фермента, который разрывает связи между нуклеотидами в РНК. Рибонуклеаза - глобулярный белок, содержащий полипептидную цепь из 124 аминокислотных остатков. Его конформация стабилизируется 4-мя дисульфидными связями и многочисленными слабыми связями. Обработка рибонуклеазы меркаптоэтанолом (формула меркаптоэтанола - HO-CH2-CH2-SH) приводит к разрыву дисульфидных связей и уменьшению SH-групп остатков цистеина, что нарушает компактную структуру белка. Добавление 8 М раствора мочевины или 6 М раствора гуанидинхлорида, вызывающее разрыв слабых связей в белке и образование новых водородных связей с денатурирующими агентами, приводит к образованию произвольно свернутых полипептидных цепей рибонуклеазы, лишенных ферментативной активности, т.е. денатурация фермента. Денатурирующие агенты не разрушают первичную структуру белка. Но, если белок очищается от денатурирующих агентов диализом, его ферментативная активность постепенно восстанавливается. Этот процесс называется ренатурацией белка или ренатурацией белка. Впоследствии возможность обновления была доказана для других белков, в частности миоглобина. Сохранение первичной структуры белка – необходимое условие восстановления его конформации. На основе этих экспериментов был выведен фундаментальный принцип молекулярной биологии: аминокислотная последовательность белков определяет их конформацию и конкретную функцию. Формирование пространственной структуры белка – это спонтанный процесс, в котором белок имеет тенденцию принимать конформацию с наименьшей свободной энергией в данных условиях. Изменения условий окружающей среды или изменения первичной структуры данного белка могут привести к изменению его конформации и функции. Практическое применение процесса денатурации белка Тепло можно использовать для разрушения водородных связей и неполярных гидрофобных взаимодействий. Это происходит потому, что тепло увеличивает кинетическую энергию и заставляет молекулы вибрировать так быстро и сильно, что связи нарушаются. Белки в яйцах денатурируют и коагулируют во время приготовления. Другие продукты готовят для денатурации белков, чтобы ферментам было легче их переварить. Медицинские принадлежности и инструменты стерилизуют путем нагревания, чтобы денатурировать белки бактерий и тем самым уничтожить бактерии. Заключение В заключение можно сказать, что денатурация белков – это процесс, при котором происходит изменение нативной конформации белковой молекулы под действием различных дестабилизирующих факторов. Аминокислотная последовательность белка не изменяется. Приводит к потере белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.). Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы. Практически любое заметное изменение внешних условий, например, нагревание или существенное изменение pH приводит к последовательному нарушению четвертичной, третичной и вторичной структур белка. Обычно денатурация вызывается повышением температуры, действием сильных кислот и щелочей, солей тяжёлых металлов, некоторых растворителей (спирт), радиации и др. Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование «белка» при жарке яиц. Ренатурация – процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру. Нужно отметить, что не все белки способны ренатурировать; у большинства белков денатурация необратима. Если при денатурации белка физико-химические изменения связаны с переходом полипептидной цепи из плотно упакованного (упорядоченного) состояния в беспорядочное, то при ренатурации проявляется способность белков к самоорганизации, путь которой предопределён последовательностью аминокислот в полипептидной цепи, то есть её первичной структурой, детерминированной наследственной информацией. В живых клетках данная информация, вероятно, является решающей для преобразования неупорядоченной полипептидной цепи во время или после её биосинтеза на рибосоме в структуру нативной молекулы белка. При нагревании двухцепочечных молекул ДНК до температуры около 100°C водородные связи между основаниями разрываются, и комплементарные цепи расходятся – ДНК денатурирует. Однако при медленном охлаждении комплементарные цепи могут вновь соединяться в регулярную двойную спираль. Эта способность ДНК к ренатурации используется для получения искусственных гибридных молекул ДНК (так называемая молекулярная гибридизация). Группа австралийских и американских химиков нашла способ (с помощью использования мочевины и центрифугирования) за несколько минут ренатурировать куриное яйцо, варёное 20 минут. Список литературы 1. Д.Мецлер. Биохимия. — М.: Мир, 1980. — 609 p. 2. Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М.: Бином, 2014. — 636 p
