Большинство белковых молекул сохраняет биологическую активность, т. е. способность выполнять свойственную им функцию, только в пределах узкой области pН и температуре не выше 50-600С. При нарушении этих условий происходят нарушения четвертичной, третичной и вторичной структур белковой молекулы, называемые ДЕНАТУРАЦИЕЙ.
Разрыва ковалентных пептидных связей белка при его денатурации не происходит, однако могут разрываться водородные, ионные и дисульфидные связи и нарушаться гидрофобные взаимодействия, что вызывает потерю его биологической активности и часто потерю растворимости. В денатурированном состоянии полипептидная цепь представляет случайный и беспорядочный клубок. Денатурация бывает полная и не- полная: полная денатурация обычно необратима, а при неполной денатурации белок может ренатурировать (повторно свернуться) при возвращении к первоначальным условиям (рис. 16). Ренатурация возможна только тогда, когда белок не обладал сложной архитектурой вторичной и третичной структуры; в противном случае происходит неправильное сворачивание полипептидной цепи с образованием новых, ранее не свойственных белку, дополнительных взаимодействий между боковыми группами его аминокислот, и биологическая активность такого белка не восстанавливается. Хорошими примерами денатурации служат свертывание белка при варке яиц (тепловая денатурация) и потеря растворимости белков при скисании молока (изменение pН под действием молочнокислих бактерий).
Увеличивая температуру, изменяя pН и концентрации солей или с помощью химической обработки, можно вызвать расплетание двойной спирали ДНК. При этом происходит денатурация в виде перехода СПИРАЛЬ-КЛУБОК, названного так потому, что спирализованная двойная цепь довольно жесткая, а однонитиевая молекула - гибкая (рис. 17). Поэтому переход спираль-клубок часто еще называют плавлением спирали. Аналогия с обычным плавлением твердого вещества углубляется тем, что переход спираль-клубок при изменении температуры происходит очень резко - в узком температурном интервале – и сопровождается заметным поглощением теплоты, которая идет на разрыв стабилизирующих спираль водородных связей. Кроме того, при плавлении ДНК разрушаются не отдельные витки спирали (что было бы аналогично выплавлению отдельных ячеек кристаллической решетки), а сразу весьма длинные куски - это свойство называют кооперативностью.
Однако есть и отличие от настоящего плавления: спиральные и деспирализованные участки не разделяются вдоль цепи, а остаются перемешанными, что означает, что переход спираль- клубок не является фазовым. С точки зрения теоретической физики плавление ДНК все же есть настоящее плавление, но не трехмерного кристалла, а одномерного, поэтому согласно теореме Л.Д. Ландау оно происходит хотя и резко, но к расслоению фаз не ведет. Следует, однако, иметь в виду, что теорема Ландау была доказана для строго однородных систем, а молекула ДНК содержит два сорта звеньев - пары A7T и G7C, различающиеся силой связи.
Пара A7T стабилизирована только двумя водородными связями, поэтому ее легче порвать, чем пару G7C, стабилизированную тремя водородными связями (рис. 4). Поэтому участки ДНК, обогащенные парами A7T, плавятся быстрее или при более низкой температуре, чем участки, обогащенные парами G7C, и, следовательно, переход спираль-клубок происходит не скачком, а поэтапно, участок за участком. Если мерить зависимость поглощения тепла от температуры для раствора молекул ДНК, то на графике, отражающем эту зависимость, вместо одного бесконечно узкого пика, который характерен для плавления льда, наблюдается множество пиков с шириной примерно 0.50С, отражающих выплавление отдельных участков в молекуле (рис. 18).
Денатурировавший белок или нуклеиновая кислота представляют собой беспорядочный клубок, и его в первом приближении можно представить как линейный полимер, звенья которого способны свободно вращаться вокруг связывающих их в цеп связей, и в котором нет существенного взаимодействия между боковыми группами. Такой полимер называется СВОБОДНО-СОЧЛЕНЕННОЙ ЦЕПЬЮ. Он не обладает определенной трехмерной структурой или формой, так как она постоянно изменяется под действием броуновского движения.
Загрузка...