Denaturace (biochemie) - Denaturation (biochemistry) - Wikipedia
Poznámka 1: Upraveno z definice uvedené v ref.[1]
Poznámka 2: Denaturace může nastat, když jsou proteiny a nukleové kyseliny vystaveny zvýšené teplotě nebo extrémním hodnotám pH nebo nefyziologickým koncentracím solí, organických rozpouštědel, močoviny nebo jiných chemických látek.
Poznámka 3: An enzym ztrácí svou katalytickou aktivitu, když je denaturován.[2]Denaturace je proces, ve kterém bílkoviny nebo nukleové kyseliny ztratit kvartérní struktura, terciární struktura, a sekundární struktura který je přítomen v jejich rodný stát, působením nějakého vnějšího stresu nebo sloučeniny, jako je silný kyselina nebo základna, koncentrovaný anorganické sůl, an organický rozpouštědlo (např. alkohol nebo chloroform ), záření nebo teplo.[3] Pokud jsou proteiny v živé buňce denaturovány, vede to k narušení buněčné aktivity a pravděpodobně k buněčné smrti. Denaturace bílkovin je také důsledkem buněčné smrti.[4][5] Denaturované proteiny mohou vykazovat širokou škálu charakteristik, od konformační změna a ztráta rozpustnosti do agregace kvůli expozici hydrofobní skupiny. Denaturované proteiny ztrácejí svoji 3D strukturu, a proto nemohou fungovat.
Skládání bílkovin je klíčem k tomu, zda a kulovitý nebo membránový protein může dělat svou práci správně; musí být složen do správného tvaru, aby fungoval. Nicméně, Vodíkové vazby, které hrají velkou roli při skládání, jsou poměrně slabé, a proto na ně snadno působí teplo, kyselost, různé koncentrace solí a další stresory, které mohou denaturovat protein. To je jeden z důvodů homeostáza je fyziologicky v mnoha nutné formy života.
Tento koncept nesouvisí s denaturovaný alkohol, což je alkohol, který byl smíchán s přísadami, aby byl nevhodný k lidské spotřebě.
Běžné příklady
Když se jídlo vaří, některé jeho proteiny se denaturují. Proto se vařená vejce stávají tvrdými a vařené maso pevnými.
Klasický příklad denaturace v bílkovinách pochází z vaječných bílků, které jsou obvykle z velké části vaječné albuminy ve vodě. Čerstvá vejce jsou průhledná a tekutá. Vaření tepelně nestabilní bílí je promění v neprůhledné a vytvoří vzájemně propojenou pevnou hmotu.[6] Stejnou transformaci lze provést s denaturační chemikálií. Nalití bílků do kádinky aceton změní také bílky na průsvitné a pevné. Kůže, která se tvoří sražený mléko je dalším běžným příkladem denaturovaného proteinu. Studený předkrm známý jako ceviche se připravuje chemickým „vařením“ syrových ryb a měkkýšů v kyselé citrusové marinádě bez ohně.[7]
Denaturace bílkovin
Denaturované proteiny mohou vykazovat širokou škálu charakteristik, od ztráty rozpustnost na agregace proteinů.
Pozadí
Proteiny nebo Polypeptidy jsou polymery aminokyseliny. Protein je tvořen ribozomy ta „přečtená“ RNA, která je kódována kodony v genu a sestavte požadovanou kombinaci aminokyselin z genetický instrukce v procesu známém jako překlad. Nově vytvořený proteinový řetězec pak prochází posttranslační modifikace, ve kterém další atomy nebo molekuly jsou přidány například měď, zinek nebo žehlička. Jakmile je tento posttranslační modifikační proces dokončen, protein se začne skládat (někdy spontánně a někdy s enzymatický pomoc), stočil se na sebe hydrofobní prvky proteinu jsou pohřbeny hluboko uvnitř struktury a hydrofilní prvky končí na vnější straně. Konečný tvar proteinu určuje, jak interaguje s okolním prostředím.
Skládání proteinů spočívá v rovnováze mezi podstatným množstvím slabých intra-molekulárních interakcí uvnitř proteinu (hydrofobní, elektrostatické a Van Der Waalsovy interakce) a interakcemi protein-rozpouštědlo.[8] Výsledkem je, že tento proces je silně závislý na stavu prostředí, ve kterém protein sídlí.[8] Mezi tyto podmínky prostředí patří mimo jiné: teplota, slanost, tlak a použitá rozpouštědla.[8] V důsledku toho může jakékoli vystavení extrémnímu namáhání (např. Teplu nebo záření, vysokým koncentracím anorganických solí, silným kyselinám a zásadám) narušit interakci proteinu a nevyhnutelně vést k denaturaci.[9]
Když je protein denaturován, jsou změněny sekundární a terciární struktury, ale peptidové vazby primární struktury mezi aminokyselinami zůstávají nedotčeny. Jelikož všechny strukturní hladiny proteinu určují jeho funkci, protein již nemůže vykonávat svoji funkci, jakmile je denaturován. To je v rozporu s vnitřně nestrukturované proteiny, které jsou rozloženy v jejich rodný stát, ale stále funkčně aktivní a mají tendenci skládat se po navázání na svůj biologický cíl.[10]
Jak denaturace probíhá na úrovních struktury bílkovin
- v kvartérní struktura denaturace, proteinové podjednotky jsou disociovány a / nebo je narušeno prostorové uspořádání proteinových podjednotek.
- Terciární struktura denaturace zahrnuje narušení:
- Kovalentní interakce mezi aminokyselinami postranní řetězy (jako disulfidové můstky mezi cystein skupiny)
- Nekovalentní dipól -dipolové interakce mezi postranními řetězci polárních aminokyselin (a okolním solventní )
- Van der Waalsovy (indukované dipóly) interakce mezi nepolárními aminokyselinovými postranními řetězci.
- v sekundární struktura denaturace, proteiny ztrácejí všechny pravidelné opakující se vzorce, jako je alfa-šroubovice a skládané listy beta a přijmout náhodná cívka konfigurace.
- Primární struktura, jako je sekvence aminokyselin držených pohromadě kovalentními peptidovými vazbami, není denaturací narušena.[11]
Ztráta funkce
Většina biologických substrátů ztrácí svou biologickou funkci, když je denaturována. Například, enzymy ztratit jejich aktivita, protože se substráty již nemohou vázat na Aktivní stránky,[12] a protože aminokyselinové zbytky podílející se na stabilizaci substrátů přechodové stavy již nejsou v pozici, aby to mohli dělat. Proces denaturace a související ztrátu aktivity lze měřit pomocí technik, jako jsou duální polarizační interferometrie, CD, QCM-D a MP-SPR.
Ztráta aktivity v důsledku těžkých kovů a metaloidů
Zacílením na proteiny je známo, že těžké kovy narušují funkci a aktivitu prováděnou proteiny.[13] Je důležité si uvědomit, že těžké kovy spadají do kategorií sestávajících z přechodných kovů a vybraného množství metaloidu.[13] Tyto kovy mají při interakci s nativními složenými proteiny sklon bránit jejich biologické aktivitě.[13] Toto rušení lze provádět různými způsoby. Tyto těžké kovy mohou tvořit komplex s funkčními skupinami postranních řetězců přítomných v proteinu nebo vytvářet vazby k volným thiolům.[13] Těžké kovy také hrají roli při oxidaci postranních řetězců aminokyselin přítomných v proteinu.[13] Spolu s tím mohou při interakci s metaloproteiny těžké kovy dislokovat a nahradit klíčové ionty kovů.[13] Výsledkem je, že těžké kovy mohou interferovat se složenými proteiny, což může silně bránit stabilitě a aktivitě proteinu.
Reverzibilita a nevratnost
V mnoha případech je denaturace reverzibilní (proteiny mohou získat svůj původní stav, když je odstraněn vliv denaturace). Tento proces lze nazvat renaturací.[14] Toto porozumění vedlo k představě, že všechny informace potřebné k tomu, aby proteiny mohly převzít svůj nativní stav, byly zakódovány v primární struktuře proteinu, a tedy v DNA který kóduje protein, tzv. „Anfinsen termodynamická hypotéza ".[15]
Denaturace může být také nevratná. Tato nevratnost je obvykle kinetická, nikoli termodynamická nevratnost, protože obecně, když je protein složen, má nižší volnou energii. Díky kinetické ireverzibilitě může skutečnost, že se protein zasekl v místním minimu, zabránit tomu, aby se po opětovném denaturaci znovu skládal.[16]
Denaturace bílkovin v důsledku pH
Denaturace může být také způsobena změnami pH, které mohou ovlivnit chemii aminokyselin a jejich zbytků. Ionizovatelné skupiny v aminokyselinách jsou schopné ionizovat, když dojde ke změnám pH. Změna pH na kyselější nebo zásaditější podmínky může vyvolat vývoj.[17] Kyselinou vyvolané rozložení se často vyskytuje mezi pH 2 a 5, rozložení vyvolané bází obvykle vyžaduje pH 10 nebo vyšší.[17]
Denaturace nukleových kyselin
Nukleové kyseliny (počítaje v to RNA a DNA ) jsou nukleotid polymery syntetizované polymerázové enzymy během obou transkripce nebo replikace DNA. Po 5'-3 'syntéze páteře jsou jednotlivé dusíkaté báze schopné vzájemné interakce prostřednictvím vodíkové vazby, což umožňuje tvorbu struktur vyššího řádu. K denaturaci nukleové kyseliny dochází, když je narušena vodíková vazba mezi nukleotidy, a vede k oddělení dříve žíhaný prameny. Například denaturace DNA v důsledku vysokých teplot má za následek narušení Watson a Crick páry bází a oddělení dvouvláknové šroubovice do dvou jednoduchých řetězců. Vlákna nukleové kyseliny jsou schopná opětného rozpadu, když „normální „podmínky jsou obnoveny, ale pokud dojde k obnově příliš rychle, mohou se řetězce nukleové kyseliny nedokonale znovu žíhat, což povede k nesprávnému spárování bází.
Biologicky indukovaná denaturace
The nekovalentní interakce mezi antiparalelní prameny v DNA lze rozbít za účelem "otevření" dvojitá spirála když biologicky důležité mechanismy, jako je replikace DNA, transkripce, Oprava DNA nebo k vazbě na protein.[18] Oblast částečně oddělené DNA je známá jako denaturační bublina, kterou lze konkrétněji definovat jako otevření dvojité šroubovice DNA prostřednictvím koordinované separace párů bází.[18]
První model, který se pokusil popsat termodynamika denaturační bubliny byla zavedena v roce 1966 a nazývá se Polsko-Scheragův model. Tento model popisuje denaturaci řetězců DNA jako funkci teplota. Jak teplota stoupá, vodíkové vazby mezi páry bází Watson a Crick jsou stále více narušovány a začínají se vytvářet „denaturované smyčky“.[19] Model Polsko-Scheraga je však nyní považován za základní, protože nezohledňuje matoucí důsledky Sekvence DNA, chemické složení, ztuhlost a kroucení.[20]
Nedávné termodynamické studie odvodily, že životnost singulární denaturační bubliny se pohybuje od 1 mikrosekundy do 1 milisekundy.[21] Tyto informace jsou založeny na stanovených časových rámcích replikace a transkripce DNA.[21] V současné době,[když? ] provádějí se biofyzikální a biochemické výzkumné studie k úplnějšímu objasnění termodynamických detailů denaturační bubliny.[21]
Denaturace v důsledku chemických látek
S polymerázová řetězová reakce (PCR) patří mezi nejpopulárnější kontexty, ve kterých je žádoucí denaturace DNA, je nejčastější metodou denaturace zahřívání.[22] Kromě denaturace teplem mohou nukleové kyseliny procházet procesem denaturace různými chemickými látkami, jako je např formamid, guanidin, salicylát sodný, dimethylsulfoxid (DMSO), propylenglykol, a močovina.[23] Tato chemická denaturační činidla snižují teplotu tání (Tm) soutěží o dárce a akceptory vodíkových vazeb s již existujícími dusíkatá báze páry. Někteří agenti jsou dokonce schopni vyvolat denaturaci při pokojové teplotě. Například, zásaditý Bylo prokázáno, že látky (např. NaOH) denaturují DNA změnou pH a odstranění protonů přispívajících k vodíkové vazbě.[22] Tyto denaturanty byly použity k výrobě Denaturační gradientový gel pro elektroforézu (DGGE), který podporuje denaturaci nukleových kyselin za účelem eliminace vlivu tvaru nukleových kyselin na jejich elektroforetický mobilita.[24]
Alternativou je chemická denaturace
The optická aktivita (absorpce a rozptyl světla) a hydrodynamické vlastnosti (translační difúze, sedimentační koeficienty, a časy rotační korelace ) z formamid denaturované nukleové kyseliny jsou podobné jako u tepelně denaturovaných nukleových kyselin.[23][25][26] Proto v závislosti na požadovaném účinku může chemicky denaturující DNA poskytnout jemnější postup pro denaturaci nukleových kyselin než denaturace vyvolaná teplem. Studie porovnávající různé metody denaturace, jako je zahřívání, mlýnek na korálky různých velikostí perliček, sonda sonifikace a chemická denaturace ukazují, že chemická denaturace může poskytnout rychlejší denaturaci ve srovnání s jinými popsanými fyzikálními denaturačními metodami.[22] Zejména v případech, kdy je požadována rychlá renaturace, mohou chemická denaturační činidla poskytnout ideální alternativu k zahřívání. Například řetězce DNA denaturované pomocí alkalické látky jako NaOH renatura co nejdříve fosfátový pufr je přidáno.[22]
Denaturace způsobená vzduchem
Malý, elektronegativní molekuly jako dusík a kyslík, což jsou primární plyny v vzduch, významně ovlivňuje schopnost okolních molekul účastnit se vodíkové vazby.[27] Tyto molekuly soutěží s okolními akceptory vodíkových vazeb o dárce vodíkových vazeb, proto působí jako „látky rozbíjející vodíkové vazby“ a oslabující interakce mezi okolními molekulami v prostředí.[27] Antiparellalová vlákna v DNA jsou dvojité šroubovice nekovalentně vázány vodíkovou vazbou mezi páry bází Watson a Crick;[28] dusík a kyslík proto udržují potenciál k oslabení integrity DNA při vystavení vzduchu.[29] Výsledkem je, že řetězce DNA vystavené vzduchu vyžadují menší sílu, aby se oddělily a ukázaly nižší teploty tání.[29]
Aplikace
Mnoho laboratorních technik spoléhá na schopnost oddělit se řetězce nukleových kyselin. Po porozumění vlastnostem denaturace nukleových kyselin byly vytvořeny následující metody:
Denaturanty
Denaturanty bílkovin
Kyseliny
Kyselé proteinové denaturanty zahrnují:
Základny
Základny fungují podobně jako kyseliny v denaturaci. Obsahují:
Rozpouštědla
Většina organických rozpouštědla jsou denaturační, včetně:[Citace je zapotřebí ]
Zesíťovací činidla
Zesíťování činidla pro proteiny zahrnují:[Citace je zapotřebí ]
Chaotropní látky
Chaotropní látky zahrnout:[Citace je zapotřebí ]
- Močovina 6 – 8 mol / l
- Guanidiniumchlorid 6 mol / l
- Chloristan lithný 4,5 mol / l
- Dodecylsulfát sodný
Reduktory disulfidových vazeb
Agenti, kteří se zlomí disulfidové vazby redukcí zahrnují:[Citace je zapotřebí ]
- 2-merkaptoethanol
- Dithiothreitol
- TCEP (tris (2-karboxyethyl) fosfin)
Chemicky reaktivní činidla
Činidla, jako je peroxid vodíku, elementární chlor, kyselina chlorná (chlorová voda), brom, bromová voda, jód, dusičná a oxidační kyselina, a ozon, reagují s citlivými skupinami, jako je sulfid / thiol, aktivované aromatické kruhy (fenylalanin), čímž dochází k bílkoviny a učinit je zbytečnými.
jiný
- Mechanické míchání
- Kyselina pikrová
- Záření
- Teplota[31]
Denaturanty nukleových kyselin
Chemikálie
Kyselé denaturanty nukleových kyselin zahrnují:
- Octová kyselina
- HCl
- Kyselina dusičná
Základní denaturanty nukleových kyselin zahrnují:
- NaOH
Mezi další denaturanty nukleových kyselin patří:
Fyzický
Viz také
Reference
- ^ Alan D. MacNaught; Andrew R. Wilkinson, vyd. (1997). Kompendium chemické terminologie: Doporučení IUPAC („zlatá kniha“). Blackwell Science. ISBN 978-0865426849.
- ^ Vert, Michel (2012). „Terminologie pro biologicky související polymery a aplikace (doporučení IUPAC 2012)“ (PDF). Čistá a aplikovaná chemie. 84 (2): 377–410. doi:10.1351 / PAC-REC-10-12-04. S2CID 98107080.
- ^ Mosbyův lékařský slovník (8. vydání). Elsevier. 2009. Citováno 1. října 2013.
- ^ Samson, Andre L .; Ho, Bosco; Au, Amanda E .; Schoenwaelder, Simone M .; Smyth, Mark J .; Bottomley, Stephen P .; Kleifeld, Oded; Medcalf, Robert L. (01.11.2016). „Fyzikálně-chemické vlastnosti, které řídí agregaci proteinů, také určují, zda je protein zadržen nebo uvolněn z nekrotických buněk“. Otevřená biologie. 6 (11): 160098. doi:10.1098 / rsob.160098. ISSN 2046-2441. PMC 5133435. PMID 27810968.
- ^ Samson, Andre L .; Knaupp, Anja S .; Sashindranath, Maithili; Borg, Rachael J .; Au, Amanda E.-L .; Policajti, Elisa J .; Saunders, Helen M .; Cody, Stephen H .; McLean, Catriona A. (2012-10-25). „Nukleocytoplazmatická koagulace: agregační událost vyvolaná poškozením, která disulfid zesíťuje proteiny a usnadňuje jejich odstranění plazminem“. Zprávy buněk. 2 (4): 889–901. doi:10.1016 / j.celrep.2012.08.026. ISSN 2211-1247. PMID 23041318.
- ^ Důl, Yoshinori; Noutomi, Tatsushi; Haga, Noriyuki (1990). "Tepelně vyvolané změny v bílkovinách vaječného bílku". Journal of Agricultural and Food Chemistry. 38 (12): 2122–2125. doi:10.1021 / jf00102a004.
- ^ „Ceviche: nové sushi,“ Časy.
- ^ A b C Bondos, Sarah (2014). "Složení bílkovin". Přístup k vědě. doi:10.1036/1097-8542.801070.
- ^ "Denaturace". Věda v kontextu. 2006-04-03.
- ^ Dyson, H. Jane; Wright, Peter E. (01.03.2005). "Jiskrově nestrukturované proteiny a jejich funkce". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 6 (3): 197–208. doi:10.1038 / nrm1589. ISSN 1471-0072. PMID 15738986. S2CID 18068406.
- ^ Charles Tanford (1968), "Denaturace bílkovin" (PDF), Pokroky v chemii proteinů, 23: 121–282, doi:10.1016 / S0065-3233 (08) 60401-5, ISBN 9780120342235, PMID 4882248
- ^ Online slovník biologie, Definice a příklady denaturace
- ^ A b C d E F Tamás, Markus J .; Sharma, Sandeep K .; Ibstedt, Sebastian; Jacobson, Therese; Christen, Philipp (04.03.2014). „Těžké kovy a metaloidy jako příčina nesprávného skládání a agregace proteinů“. Biomolekuly. 4 (1): 252–267. doi:10,3390 / biom4010252. PMC 4030994. PMID 24970215.
- ^ Campbell, N. A .; Reece, J. B.; Meyers, N .; Urry, L. A .; Cain, M.L .; Wasserman, S.A .; Minorsky, P.V .; Jackson, R.B. (2009), Biologie (8. australská verze, ed.), Sydney: Pearson Education Australia
- ^ Anfinsen CB. (1973), „Principy, které řídí skládání proteinových řetězců“, Věda, 181 (4096): 223–30, Bibcode:1973Sci ... 181..223A, doi:10.1126 / science.181.4096.223, PMID 4124164, S2CID 10151090
- ^ Wetlaufer, D.B. (1988). "Reverzibilní a nevratná denaturace proteinů v chromatografických systémech". Makromolekulare Chemie. Makromolekulární sympozia. 17 (1): 17–28. doi:10.1002 / masy.19880170104. ISSN 0258-0322.
- ^ A b Konermann, Lars (2012-05-15). "Protein Unfolding and Denaturants". eLS. Chichester, Velká Británie: John Wiley & Sons, Ltd. doi:10.1002 / 9780470015902.a0003004.pub2. ISBN 978-0470016176. Chybějící nebo prázdný
| název =
(Pomoc) - ^ A b Sicard, François; Destainville, Nicolas; Manghi, Manoel (21. ledna 2015). „Bubliny pro denaturaci DNA: krajina s volnou energií a míra nukleace / uzavření“. The Journal of Chemical Physics. 142 (3): 034903. arXiv:1405.3867. Bibcode:2015JChPh.142c4903S. doi:10.1063/1.4905668. PMID 25612729. S2CID 13967558.
- ^ Lieu, Simon. „Model Polsko-Scheraga.“ (2015): 0-5. Massachusetts Institute of Technology, 14. května 2015. Web. 25. října 2016.
- ^ Richard, C. a A. J. Guttmann. „Polsko – Scheraga modely a přechod denaturace DNA.“ Žurnál statistické fyziky 115,3 / 4 (2004): 925-47. Web.
- ^ A b C Altan-Bonnet, Grégoire; Libchaber, Albert; Krichevsky, Oleg (1. dubna 2003). „Dynamika bublin v DNA s dvojitým řetězcem“. Dopisy o fyzické kontrole. 90 (13): 138101. Bibcode:2003PhRvL..90m8101A. doi:10.1103 / fyzrevlett.90.138101. PMID 12689326. S2CID 1427570.
- ^ A b C d Wang, X (2014). "Charakterizace denaturace a renaturace DNA pro hybridizaci DNA". Zdraví a toxikologie pro životní prostředí. 29: e2014007. doi:10.5620 / eht.2014.29.e2014007. PMC 4168728. PMID 25234413.
- ^ A b Marmur, J (1961). "Denaturace deoxyribonukleové kyseliny formamidem". Biochimica et Biophysica Acta. 51 (1): 91013–7. doi:10.1016/0006-3002(61)91013-7. PMID 13767022.
- ^ "Denaturační polyakrylamidový gelový elektroforéza DNA a RNA". Elektroforéza. Národní diagnostika. Citováno 13. října 2016.
- ^ Tinoco, I; Bustamante, C; Maestre, M (1980). "Optická aktivita nukleových kyselin a jejich agregátů". Roční přehled biofyziky a bioinženýrství. 9 (1): 107–141. doi:10.1146 / annurev.bb.09.060180.000543. PMID 6156638.
- ^ Fernandes, M (2002). "Výpočet hydrodynamických vlastností malých nukleových kyselin z jejich atomové struktury". Výzkum nukleových kyselin. 30 (8): 1782–8. doi:10.1093 / nar / 30.8.1782. PMC 113193. PMID 11937632.
- ^ A b Mathers, T. L .; Schoeffler, G .; McGlynn, S. P. (červenec 1985). "Účinky vybraných plynů na ethanol: rozbití vodíkové vazby O a N". Canadian Journal of Chemistry. 63 (7): 1864–1869. doi:10.1139 / v85-309.
- ^ Cox, David L. Nelson, Michael M. (2008). Lehningerovy principy biochemie (5. vydání). New York: W.H. Freemane. ISBN 9780716771081.
- ^ A b Mathers, T. L .; Schoeffler, G .; McGlynn, S. P. (1982). „Rozbíjení vodíkové vazby O / sub 2 / a N / sub 2 /. II. Křivky tání DNA“ (PDF). doi:10.2172/5693881. OSTI 5693881. Citovat deník vyžaduje
| deník =
(Pomoc) - ^ López-Alonso JP, Bruix M, Font J, Ribó M, Vilanova M, Jiménez MA, Santoro J, González C, Laurents DV (2010), „NMR spektroskopie odhaluje, že RNáza A je převážně denaturována ve 40% kyselině octové: důsledky pro tvorbu oligomerů výměnou domén 3D“, J. Am. Chem. Soc., 132 (5): 1621–30, doi:10.1021 / ja9081638, PMID 20085318
- ^ Jaremko, M .; Jaremko Ł; Kim HY; Cho MK; Schwieters CD; Giller K; Becker S; Zweckstetter M. (duben 2013). "Studená denaturace proteinového dimeru monitorována při atomovém rozlišení". Nat. Chem. Biol. 9 (4): 264–70. doi:10.1038 / nchembio.1181. PMC 5521822. PMID 23396077.