Денатурация белков и нуклеиновых кислот¶

Денатурация — это процесс утраты белком или нуклеиновой кислотой их нативной (природной) пространственной структуры под действием внешних факторов, при котором сохраняется первичная структура молекулы, но нарушаются вторичная, третичная и четвертичная конформации. Явление широко распространено в живой природе и активно используется в промышленности, медицине и лабораторной практике.

¶Общая характеристика

Молекулы биополимеров приобретают функциональные свойства благодаря строго определённой пространственной укладке. Для белков нативной считается конформация, в которой они синтезируются в клетке и выполняют свою биологическую роль. Денатурация разрушает слабые связи — водородные, ионные, гидрофобные взаимодействия, — но не затрагивает ковалентные пептидные связи основной цепи. Именно поэтому первичная последовательность аминокислот остаётся неизменной.

Ключевое отличие денатурации от деструкции состоит в обратимости. При мягких воздействиях и устранении денатурирующего агента часть молекул способна самопроизвольно восстанавливать нативную структуру — этот процесс называется ренатурацией. Если же разрушение зашло слишком далеко или затронуло ковалентные связи, восстановление невозможно.

¶Факторы денатурации

Причины, вызывающие потерю нативной структуры, делят на физические и химические.

¶Физические факторы

• Температура. Нагрев выше определённого порога (обычно 40–60 °C для большинства белков) разрушает слабые связи. Классический пример — свёртывание яичного альбумина при варке.
• Ионизирующее и ультрафиолетовое излучение. Высокоэнергетические кванты разрывают химические связи и инициируют свободнорадикальные реакции.
• Механическое воздействие. Интенсивное встряхивание, ультразвук, высокое давление нарушают укладку макромолекул.
• Электрические разряды и резкие перепады давления также относятся к этой группе.

¶Химические факторы

• Кислоты и щёлочи. Изменение pH среды меняет заряд аминокислотных остатков, что нарушает ионные взаимодействия. Пример — створаживание молока при добавлении кислоты.
• Соли тяжёлых металлов. Ионы свинца, ртути, меди, серебра образуют прочные комплексы с функциональными группами белка.
• Органические растворители. Спирт, ацетон, хлороформ снижают диэлектрическую проницаемость среды и разрушают гидрофобные связи.
• Детергенты и поверхностно-активные вещества, а также концентрированные растворы мочевины и гуанидинхлорида.

¶Денатурация белков

Для белков различают несколько форм процесса. Полная денатурация сопровождается потерей растворимости, изменением оптических свойств и утратой биологической активности — ферменты перестают катализировать реакции, антитела теряют способность связывать антигены. Частичная денатурация затрагивает лишь отдельные домены и может быть обратимой.

Внешне денатурированный белок меняет свойства: выпадает в осадок, образует гель, теряет прозрачность раствора. Эти признаки лежат в основе многих технологических процессов.

¶Денатурация нуклеиновых кислот

У молекул ДНК и РНК нативная структура представлена двойной спиралью, удерживаемой водородными связями между комплементарными основаниями. При нагревании до 90–95 °C или при повышении pH водородные связи разрываются, и двойная спираль распадается на отдельные цепи. Этот процесс называют плавлением ДНК, а температуру, при которой половина молекул утратила спиральную структуру, — температурой плавления. Она зависит от соотношения пар гуанин–цитозин и аденин–тимин, поскольку Г–Ц-пары связаны тремя водородными связями вместо двух.

При медленном охлаждении цепи вновь соединяются по принципу комплементарности — происходит отжиг, или ренатурация. Это свойство лежит в основе полимеразной цепной реакции и методов гибридизации нуклеиновых кислот.

¶Обратимость и необратимость

Ренатурация возможна, если сохранилась первичная структура и молекула не успела агрегировать. На практике полное восстановление удаётся редко: часть молекул необратимо слипается в агрегаты. Необратимую потерю структуры иногда называют коагуляцией — именно она происходит при тепловой обработке продуктов.

¶Значение в природе и технике

Денатурация играет фундаментальную роль в биологии. Свёртывание белков крови при повреждении сосудов обеспечивает остановку кровотечения. Денатурация чужеродных белков лежит в основе стерилизации и пастеризации, уничтожающей микроорганизмы и инактивирующей вирусы.

В пищевой промышленности процесс используют при выпечке хлеба, варке, жарке, производстве сыра и творога. В лабораторной практике — при электрофорезе белков, выделении нуклеиновых кислот, секвенировании. В медицине денатурация учитывается при хранении вакцин и лекарственных препаратов, требующих строгого температурного режима.

¶Примеры

¶Источники

• Учебники по общей и биологической химии
• Материалы по молекулярной биологии
• Справочные издания по физической химии полимеров