Definizione di denatura

La denaturazione di una molecola biologica si riferisce alla perdita della sua struttura tridimensionale (3-D). Poiché molecole come proteine e DNA dipendono dalla loro struttura per svolgere la loro funzione, la denaturazione è accompagnata da una perdita di funzione. Tuttavia, la denaturazione non ha alcun impatto sulla sequenza aminoacidica della proteina stessa.

Struttura delle proteine

La struttura di una proteina può essere suddivisa in quattro livelli: primario, secondario, terziario e quaternario., Le proteine sono fatte di polimeri lineari di amminoacidi e questo forma la loro struttura primaria. Anche se il polipeptide viene sintetizzato su un ribosoma, inizia a piegare e formare elementi della sua struttura secondaria. Le caratteristiche più comuni della struttura secondaria di una proteina sono le alfa eliche e i fogli plissettati beta formati attraverso un esteso legame di idrogeno. Queste strutture locali formate da amminoacidi adiacenti poi si uniscono per formare la struttura terziaria, dove i residui che sono lontani l’uno dall’altro nella struttura primaria possono riunirsi nella stessa regione spaziale., Ciò consente agli amminoacidi specifici di essere presenti nel sito attivo o per l’interazione con altre molecole e di essere supportati da altre parti della proteina che si piegano in una forma distintiva.

Occasionalmente le proteine sono formate da più di un polipeptide. Per esempio, l’emoglobina è un tetramero formato da quattro subunità polipeptidiche., Il modo in cui queste subunità si uniscono per creare una proteina funzionale forma la struttura quaternaria.

Ad eccezione della struttura primaria, i restanti tre livelli di struttura proteica dipendono principalmente da legami non covalenti come legami idrogeno o interazioni dipolo-dipolo. Pertanto, sono sensibili ai cambiamenti di temperatura, acidità, concentrazione di sale o presenza di solventi forti., Anche lievi alterazioni del microambiente di una proteina possono portare alla perdita di forma e funzione 3-D.

Esempi di proteine denaturate

Sebbene la denaturazione proteica sia dannosa per la sopravvivenza cellulare, si incontra spesso nella vita quotidiana. Ad esempio, l’albume è costituito principalmente da proteine solubili ed è liquido e traslucido nelle uova fresche. Quando viene bollito, il calore denatura le proteine e le fa perdere solubilità. Le proteine denaturate si aggregano e formano una massa che ora è opaca e solida., Allo stesso modo, alterando il pH del latte aggiungendo acidi come l’acido citrico dal succo di limone denaturano le proteine del latte e cagliano il latte. La porzione bianca solida che separa dal siero è proteina denaturata. Questo può essere visto anche quando il latte caglia naturalmente a causa della colonizzazione batterica. I batteri possono produrre acido lattico come sottoprodotto del metabolismo. Se correttamente controllato, questo processo di denaturazione viene utilizzato per fare yogurt e formaggio fresco.,

Le proteine denaturate sono coinvolte in una serie di malattie, dal morbo di Parkinson, dall’Alzheimer alla corea di Huntington. Le persone che soffrono di queste malattie hanno proteine anormalmente piegate in alcune parti del loro corpo, con il cervello e il sistema nervoso particolarmente sensibili. Inoltre, una delle principali cause di cecità è la presenza di proteine denaturate nella lente dell’occhio. In questo caso, si dice che la denaturazione si verifichi a causa dell’invecchiamento o dell’eccessiva esposizione alle radiazioni UV.,

Tipi di denaturazione

La denaturazione può essere classificata in base all’agente che causa una proteina a perdere la sua struttura secondaria, terziaria o quaternaria. I legami idrogeno, le interazioni ioniche, le interazioni idrofobiche e le forze di Van der Waal sono coinvolte nel tenere insieme queste strutture. Tali interazioni non covalenti sono interrotte da una serie di fattori tra cui calore, radiazioni, solventi organici, acidi, basi e sali perché possono alterare le interazioni idrofobiche all’interno della proteina, influenzare il legame dell’idrogeno e interferire con le interazioni ioniche.,

Tipo I: Denaturazione per variazione del pH

Il pH di una soluzione ha un effetto importante sulla struttura proteica perché modifica il numero e la natura dei legami idrogeno e delle interazioni ioniche che avvengono tra diversi amminoacidi. A pH fisiologico, molte catene laterali di aminoacidi sono caricate a causa della perdita o del guadagno di uno hydrogen idrogeno.

Infatti, la maggior parte degli amminoacidi esiste come zwitterion all’interno delle cellule.,

L’immagine mostra i due isomeri di Alanina, dove l’acido carbossilico gruppo perde un atomo di idrogeno e ottiene una carica negativa e il gruppo amminico guadagni di un protone per diventare positivo. La carica netta sulla molecola rimane zero. Oltre a queste due cariche su ogni amminoacido, la catena laterale può anche essere polare o carica., L’acido aspartico, l’acido glutammico, l’arginina, l’istidina e la lisina sono esempi di aminoacidi che contengono un costo aggiuntivo a condizioni fisiologiche. Tuttavia, la carica su questi amminoacidi dipende dal pH. Ad esempio, l’istidina viene solitamente caricata positivamente in una cellula. Tuttavia, può verificarsi in quattro diverse forme in base al pH della soluzione. A causa di ciò, può avere una carica netta di -1, 0, +1 o +2. Ciò implica che il pH determinerà la natura e il numero di legami ionici che un residuo di istidina può formare con altri amminoacidi.,

Quando un atomo di idrogeno è legato covalentemente ad un atomo altamente elettronegativo come l’ossigeno o l’azoto, ottiene una carica positiva parziale. A causa delle piccole dimensioni dell’atomo di idrogeno, questa carica parziale è sufficiente per creare un’alta densità di carica che può esercitare una forte attrazione su una coppia solitaria di elettroni su un altro atomo. Questa attrazione costituisce la base di un legame idrogeno. È sensibile ai cambiamenti nel pH perché un cambiamento nella concentrazione di ioni idrogeno può alterare la natura dei gruppi funzionali., Ad esempio, aminoacidi come asparagina, cisteina o tirosina contengono gruppi polari nelle loro catene laterali. Questi atomi possono interagire tra loro attraverso legami idrogeno in base alla loro vicinanza spaziale e all’orientamento di diverse catene laterali. Tuttavia, come cambiamenti di pH, questi gruppi polari possono ottenere protonati o deprotonati, cambiando la loro capacità di formare legami idrogeno. Inoltre, la formazione di un’alfa elica o di un foglio beta-pieghettato comporta la formazione di legame idrogeno tra i gruppi carbossilato e amminico di ogni amminoacido., Se un gran numero di tali interazioni viene interrotto, la proteina si dispiega e diventa denaturata.

Infine, il pH influenza la carica complessiva di un polipeptide e questo ha un impatto sulla solubilità delle proteine. Se la carica netta su una proteina diventa zero, può aggregarsi e precipitare.

Tipo II: Denaturazione chimica

Alcuni prodotti chimici e solventi organici possono causare denaturazione proteica. I solventi organici interrompono la struttura proteica perché la maggior parte delle proteine sequestra i loro residui idrofobici verso il centro della molecola quando si piegano nella loro forma unica., Essenzialmente, la struttura 3-D di un polipeptide ottimizza l’energia della molecola abbassando l’interazione delle catene laterali idrofobiche con un mezzo acquoso. La presenza di sostanze chimiche come benzene o etanolo cambia queste interazioni e può occasionalmente portare alla proteina ‘flipping’ dove i residui interni sono presentati all’esterno con la perdita di struttura e funzione.

Detergenti e altre molecole anfipatiche possono anche essere particolarmente dannosi. Queste molecole hanno lo stesso effetto interrompendo le interazioni idrofobiche e i legami idrogeno., La schiuma osservata durante l’estrazione di proteine nei laboratori e la schiuma associata ai detergenti domestici sono, in parte, dovute al loro effetto denaturante sulle proteine. I metalli pesanti e le alte concentrazioni di sale possono influenzare la formazione di legami ionici, mentre gli agenti chaotropici come l’urea possono avere un ampio effetto dirompente sulla rete di legami idrogeno.

Tipo III: Denaturazione per calore e radiazione

Quando la temperatura di un campione biologico viene aumentata, porta ad un aumento complessivo dell’energia cinetica di ogni atomo e ad un aumento dell’entropia del sistema., Tutti gli atomi e le molecole iniziano ad avere collisioni di energia più elevate tra loro e un aumento del movimento traslazionale, rotazionale e vibrazionale. Ciò riduce la forza dei legami idrogeno e indebolisce l’influenza delle interazioni idrofobiche non polari. Questo è uno dei motivi per cui una febbre alta viene utilizzata dal corpo per combattere le infezioni. È un tentativo di ritardare o arrestare la crescita di microrganismi in modo che il sistema immunitario possa eliminare i patogeni., Tuttavia, una febbre alta sostenuta può essere dannosa anche per le proteine all’interno dell’ospite, motivo per cui le temperature oltre i 104° Fahrenheit (40° Celsius) sono considerate pericolose. L’esposizione prolungata alle radiazioni del sole porta anche alla perdita della struttura proteica. Scottature e cataratta negli occhi sono solo due esempi dei suoi effetti deleteri. Le radiazioni provenienti da altre fonti (come una macchina a raggi X o da materiali radioattivi) possono anche causare danni alle proteine e causare una serie di disturbi.,

Funzioni di denaturazione

Anche l’impatto del calore e della radiazione sulle proteine ha i suoi vantaggi. Il cibo, in particolare la carne, viene cotto per denaturare le proteine all’interno e renderle più facili da digerire. Molti alimenti confezionati sono irradiati per denaturare le proteine batteriche e garantire che il cibo possa essere conservato per lunghi periodi di tempo. Il corpo secerne anche potenti acidi nello stomaco per uccidere gli agenti patogeni e denaturare le proteine nel cibo., L’azione degli enzimi digestivi è migliorata quando una proteina è spiegata perché le peptidasi ottengono l’accesso a tutti i legami covalenti che tengono insieme il polipeptide.

Inoltre, la denaturazione è anche coinvolta nei cambiamenti alla struttura 3-D degli acidi nucleici. Quando i due filamenti di un DNA si srotolano, si dice che sia in fase di denaturazione. Questo tipo di denaturazione è importante per la trascrizione e la replicazione del DNA. Viene anche sfruttato in tecniche di laboratorio come la reazione a catena della polimerasi per produrre un gran numero di copie di DNA in un breve lasso di tempo.,

Effetti della denaturazione

La denaturazione porta alla perdita della funzione proteica. In un enzima a base di proteine, potrebbe essere un piccolo cambiamento nella conformazione del sito attivo, che lo rende incapace di catalizzare una reazione. Per le proteine come gli anticorpi, la perdita di forma rimuove la loro capacità di riconoscere e legarsi agli antigeni. Quando un gran numero di proteine all’interno di una cellula viene denaturato, la cellula subisce un grave stress nel rimuovere queste molecole e sintetizzare proteine funzionali. Quando questo processo travolge la cellula, subisce l’apoptosi o causa la malattia., A causa dell’impatto della denaturazione proteica sulla formazione della malattia, è stato interessante analizzare se è possibile indurre una proteina a ripiegarsi nella sua forma originale dopo la denaturazione. Finora, gli studi in vitro sono riusciti a ottenere questa inversione solo in alcune proteine come l’albumina sierica, la RNasi e l’emoglobina.

• Amphiphile – Una molecola contenente parti idrofile e idrofobiche.
• Elettronegatività-Una misura della capacità di un atomo di attrarre una coppia di elettroni., Solitamente utilizzato in riferimento a un legame covalente polare in cui la nube di elettroni è inclinata verso l’atomo che è più elettronegativo.
• Entropia-Una misura del grado di disordine all’interno di un sistema, che è legato all’energia di un sistema non disponibile per il lavoro meccanico.
• Residui idrofobici-Amminoacidi contenenti una catena laterale idrofoba attaccata al carbonio alfa oltre a contenere un’ammina e un gruppo funzionale di acido carbossilico.

Quiz

1., Quale di questi legami non è comunemente coinvolto nella creazione della struttura secondaria o terziaria di una proteina?
A. Legami idrogeno
B. Legami covalenti
C. Interazioni ioniche
D. Nessuna delle precedenti

2. Perché un cambiamento nel pH porta alla denaturazione delle proteine?
A. Altera la sequenza aminoacidica primaria
B. Altera l’elettronegatività di un atomo
C. Cambia la formazione del legame idrogeno tra vari residui
D. Tutto quanto sopra

3. Quale di queste proteine è stata rinaturata con successo?
A. Emoglobina
B. RNase
C. Albumina sierica
D. Tutto quanto sopra