Денатурация белков¶

Денатурация — процесс разрушения нативной (третичной и четвертичной) структуры белка под действием физических или химических факторов при сохранении первичной структуры (последовательности аминокислот). Термин ввёл в 1931 году американский биохимик Уильям Арнольд. Денатурированный белок, как правило, теряет биологическую активность, становится нерастворимым и сворачивается в агрегаты.

¶Причины и факторы денатурации

Денатурацию вызывают разнообразные воздействия, нарушающие слабые связи (водородные, ионные, гидрофобные, дисульфидные), удерживающие пространственную структуру белка:

• Температура. Повышение температуры выше определённого порога (для большинства белков — 40–60 °C) увеличивает тепловое движение молекул и разрушает слабые связи. Денатурация при нагревании лежит в основе приготовления пищи и стерилизации.
• pH среды. Смещение pH от изоэлектрической точки белка меняет заряд аминокислотных остатков и нарушает ионные взаимодействия.
• Механическое воздействие — встряхивание, перемешивание, ультразвук (например, взбивание яичного белка).
• Ультрафиолетовое и радиационное излучение.
• Химические агенты. Сильные кислоты и щёлочи, соли тяжёлых металлов (Hg²⁺, Pb²⁺, Ag⁺), органические растворители (спирты, ацетон), детергенты (додецилсульфат натрия, SDS), сильные восстановители и окислители, а также мочевина и гуанидин гидрохлорид в высоких концентрациях.
• Концентрация солей. Высокие концентрации солей («салинг-аут») могут вызывать осаждение белка.

¶Виды денатурации

По глубине изменений различают:

• Развёрнутую (полную) денатурацию — утрата всей пространственной структуры, белок превращается в полимерную цепь аминокислотных остатков.
• Частичную денатурацию — изменение только части структуры; белок может сохранять часть биологической активности.

По обратимости:

• Обратимая денатурация. При устранении денатурирующего фактора (охлаждение, нейтрализация pH, удаление реагента) белок способен восстановить нативную структуру — процесс называется ренатурацией. Классический пример — ренатурация белка под названием рибонуклеаза, которую в 1957 году провёл Кристиан Анфинсен: фермент, денатурированный мочевиной и β-меркаптоэтанолом, после удаления реагентов восстановил структуру и активность.
• Необратимая денатурация — сопровождается агрегацией и свёртыванием белка; восстановление структуры невозможно. Пример — свёртывание яичного белка при варке.

¶Механизм денатурации

При денатурации разрушаются вторичная, третичная и четвертичная структуры, тогда как пептидные связи (первичная структура) остаются неповреждёнными. Белковая цепь «расплетается» из компактной глобулы в вытянутую конформацию. При этом:

• теряется специфическая форма активного центра фермента, поэтому ферментативная активность исчезает;
• гидрофобные группы, обычно скрытые внутри молекулы, оказываются на поверхности, что приводит к агрегации и осаждению;
• увеличивается гидродинамический радиус молекулы и вязкость раствора;
• растёт число свободных групп, доступных для химических реакций (например, для титрования).

¶Значение в природе и практике

¶Биология и медицина

Денатурация лежит в основе действия многих антисептиков и дезинфицирующих средств (спирты, фенол, тяжёлые металлы), а также механизмов действия ряда ядов. В организме денатурация белков повышает температуру при лихорадке: белки патогенов денатурируют при 40–42 °C, что ограничивает их размножение.

Патологическая денатурация и агрегация белков связана с рядом заболеваний — болезнь Альцгеймера (амилоидный белок), болезнь Паркинсона (альфа-синуклеин), прионные болезни.

¶Пищевая промышленность

Приготовление пищи основано преимущественно на тепловой денатурации белков мяса, рыбы, яиц и молока. Денатурация казеина при скисании молока и добавлении сычужного фермента лежит в основе производства сыра.

¶Биотехнология

Знание денатурации и ренатурации используется при очистке и кристаллизации белков, в методах электрофореза (SDS-PAGE, где SDS денатурирует белки и придаёт им одинаковую удельную заряженность) и в полимеразной цепной реакции, где денатурация ДНК при нагревании до 94–98 °C обеспечивает разделение цепей.

¶Исторические сведения

В 1931 году Уильям Арнольд ввёл термин «денатурация» для описания изменения свойств белков под действием ультрафиолетового излучения. В 1957 году Кристиан Анфинсен экспериментально доказал, что информация о третичной структуре белка заключена в последовательности аминокислот, за что в 1972 году получил Нобелевскую премию по химии. Работы Анфинсена заложили основу представлений о самосборке белков.

¶Источники

• Ленинджер А. «Принципы биохимии»
• Анфинсен К. «Принципы, лежащие в основе фолдинга белков» (Нобелевская лекция, 1972)
• Вейсблатт Д. «Молекулярная биология гена»
• Справочник по биохимии (под ред. А. А. Покровского)