Денатурация белков — процесс утраты белком своей нативной конформации при сохранении первичной структуры, то есть последовательности аминокислот. Денатурация сопровождается разрушением вторичных, третичных и четвертичных структур, в результате чего белок теряет биологическую активность. Основные факторы, вызывающие денатурацию, можно разделить на физические и химические.
Температура: повышение температуры приводит к колебательным движениям молекулы, разрушению слабых взаимодействий (водородных связей, гидрофобных взаимодействий). Белки обычно начинают денатурировать при температурах выше 40–50 °C, но для разных белков этот порог различен. Процесс необратим в случае агрегации денатурированных молекул.
Ультрафиолетовое и ионизирующее излучение: разрывает ковалентные связи в боковых цепях аминокислот, вызывает образование свободных радикалов, что приводит к структурным изменениям и потере функции.
Механическое воздействие: интенсивное взбалтывание, измельчение или протекание через узкие каналы может нарушать третичную структуру белка за счёт разрушения слабых взаимодействий и образования агрегатов.
Изменение pH: повышение или понижение pH нарушает ионные взаимодействия между боковыми цепями аминокислот, особенно между кислой и основной группой, что приводит к разворачиванию полипептидной цепи.
Солевые ионы: концентрированные растворы солей (например, хлорид гексаамминкобальта) могут изменять гидратацию белка и ионные взаимодействия, вызывая коагуляцию.
Органические растворители: спирты, ацетон, диметилсульфоксид снижают гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие третичную структуру, и способствуют раскрытию белковой молекулы.
Детергенты и поверхностно-активные вещества: нарушают гидрофобные связи, приводя к расплетению белковой структуры. Например, SDS полностью раскрывает белок, придавая ему отрицательный заряд, используемый в электрофорезе.
Окислительные и восстановительные агенты: окислители могут образовывать новые дисульфидные мостики или разрушать существующие, а восстановители разрушают дисульфидные связи, что критично для стабильности третичной структуры.
Денатурация часто протекает по многоступенчатому механизму, включающему образование промежуточных состояний:
Энергетически процесс денатурации сопровождается увеличением свободной энергии белка за счёт разрушения стабильных внутримолекулярных взаимодействий.
Ренатурация — обратимое восстановление нативной структуры белка из денатурированного состояния. Возможность ренатурации зависит от первичной структуры, условий окружающей среды и степени денатурации. Многие малые белки способны самопроизвольно правильно сворачиваться после снятия денатурирующего воздействия.
Денатурация и ренатурация лежат в основе множества биохимических и биотехнологических процессов:
Некоторые белки, например рибонуклеаза А или миоглобин, способны к полной ренатурации в vitro, демонстрируя, что первичная структура содержит всю информацию для формирования правильной конформации. Другие, особенно крупные многодоменные белки, требуют участия шаперонов и клеточных систем для правильного сворачивания.
Ключевое значение денатурации и ренатурации состоит в понимании стабильности белков, их функциональной активности и возможности управления этими процессами в биохимических и биотехнологических приложениях.