Pri denaturaciji se biomolekule, kot so beljakovin in nukleinska kislina izgubijo svojo biološko aktivnost zaradi strukturnih sprememb. Vendar primarna struktura biomolekul ostaja nedotaknjena. V telesu potekajo tako nujni kot škodljivi procesi denaturacije.
Kaj je denaturacija?
v želodec, denaturacija hrane beljakovin se pojavi zaradi vpliva želodčna kislina. Denaturacija se nanaša na uničenje sekundarne, terciarne in kvaternarne strukture beljakovin in nukleinska kislina s fizikalnimi in kemičnimi vplivi. Fizični vplivi predstavljajo toploto, tlak ali visokoenergijsko sevanje. Kemično povzročajo denaturacije kisline, alkalije, kaotropi, detergenti, alkohol ali druge spojine. Kljub tem strukturnim spremembam pa primarna struktura ostaja nedotaknjena. Za primarno strukturo je značilno zaporedje aminokisline v beljakovinah (beljakovinah) oz dušik baze in nukleinska kislina. Sekundarna struktura opisuje zlaganje biomolekul z vplivom vodik obveznice, polarne interakcije, ionske vezi in hidrofobne interakcije. Razen tvorbe disulfidnih vezi med različnimi žveplo-vsebujejo aminokisline, ostale kovalentne vezi se ne spremenijo. V terciarni strukturi se prostorske strukture oblikujejo znotraj verige biomolekul zaradi pregibov. Za kvaterno strukturo je značilna prostorska struktura z več verigami. V tem procesu beljakovine in nukleini kisline razvijejo svojo biološko aktivnost le z oblikovanjem sekundarnih, terciarnih in kvaternarnih struktur. Denaturacija uniči te strukture z razbijanjem fizičnih vezi med posameznimi atomskimi skupinami in kemičnimi vezmi znotraj disulfidnih skupin. Čeprav se primarna struktura ohrani, se biološka aktivnost izgubi. Denaturacija se stalno pojavlja tako zunaj kot znotraj telesa. Tipičen primer denaturacije je trdota jajčeca med kuhanje. V večini primerov so denaturacije nepopravljive. Lahko pa so tudi reverzibilne.
Funkcija in naloga
Denaturacije se nenehno pojavljajo v živalskih in človeških organizmih. Na primer, prehranske beljakovine je treba najprej pripraviti na kemično razgradnjo na posameznika aminokisline. To ni mogoče brez prebave sekundarnih, terciarnih ali kvaternarnih struktur. Peptidaze lahko postanejo aktivne šele, ko se proteinska veriga razvije. V želodec, vpliv želodčna kislina povzroča denaturacijo beljakovin v hrani. Po prehodu skozi želodčni portal predelana celuloza še naprej kemično razgradi prebavo encimi trebušne slinavke. Ogljikovi hidratimaščobe in beljakovine se razgradijo v ustrezne monomere. Pod vplivom peptidaz posamezni amino kisline nastanejo iz denaturiranih prehranskih beljakovin, ki se v telesu pretvorijo v endogene beljakovine. Sredstvo za denaturacijo v želodec is želodčna kislina, ki ga sestavljajo predvsem klorovodikova kislina. Vendar želodčna kislina ne razgrajuje samo beljakovin v hrani. Uniči tudi veliko hrane, ki se prenaša patogeni tako da jih denaturira. Denaturacija beljakovin in nukleinskih kislin ima pomembno vlogo tudi pri imunski obrambi. Tako tuji beljakovinski delci (bolezen kalčki) in obolele ali odmrle telesne celice prevzamejo in raztopijo tako imenovani makrofagi. Njihova prebava poteka v tako imenovanih lizosomih. Lizosomi so celični organeli, ki s pomočjo razgrajujejo tuje in endogene snovi encimi. Makrofagi vsebujejo še posebej veliko lizosomov. V lizosomih je nizka vrednost PH (kislo okolje). Tam se sestavine beljakovin in nukleinske kisline najprej denaturirajo, nato pa prebavijo encimi. Poleg tega se med okužbo pogosto pojavijo povišane temperature. V primeru povišana telesna temperatura, celo občutljiva bolezen kalčki jih denaturacija ubije zaradi učinka toplote. Lizosomi niso prisotni samo v makrofagih, temveč tudi v vseh drugih telesnih celicah, ker morajo biti neuporabni odpadki in beljakovinske komponente prebavljeni v vsaki celici. Do sedaj opisani denaturacijski procesi so za organizem ključnega pomena.
Bolezni in bolezni
Vendar pa v povezavi z denaturacijami, ki potekajo v telesu, obstajajo tudi patološki procesi. V primeru okužb, na primer povišana telesna temperatura ne ubije kalčki sam, ker lahko dolgotrajne visoke temperature uničijo tudi lastne beljakovine v telesu. To še posebej vpliva na zelo občutljive encime. Če telesna temperatura dlje časa preseže 40 stopinj, mnogi encimi postanejo neučinkoviti. Zato zelo visoko povišana telesna temperatura ima potencialno usoden učinek na organizem. Če pa visoka temperatura v šestih urah spet pade, je škoda še vedno reverzibilna. Denaturacije beljakovin povzročajo tudi učinki težkih kovin. Težke kovine lahko tvori komplekse z beljakovinami. To spremeni njihove terciarne in kvaternarne strukture. Tudi to še posebej vpliva na encime. Zato se v organizmu kopičijo težke kovine vodi do hudih kroničnih in včasih smrtnih bolezni. Kislina ali alkalija opekline vključujejo tudi denaturacijo endogenih beljakovin v koža. Smrt prizadetega tkiva sproži vnetne procese, ki vodi do srbenja in hudega koža reakcije. Poleg tega opekline vodi do denaturacije endogenih beljakovin koža in vezivnega tkiva. V medicini se hude krvavitve pogosto zdravijo z visokofrekvenčnim tokom. V tem postopku se temperatura tkiva na kratko segreje do 80 stopinj. Posledično tkivne beljakovine in vezivnega tkiva vlakna se koagulirajo. To omogoča učinkovito zapiranje rane. Številne starostne bolezni so povezane tudi s spremembami v sekundarni in terciarni strukturi beljakovin. Čeprav v teh primerih ne pride do popolne denaturacije, se med drugim zgodi, da se ponovno zbere in tvorijo plaki. Znan primer so senilni plaki v Alzheimerjeva bolezen bolnikov. Senilne plošče so beljakovinske usedline v možganov ki nastanejo kot posledica zlaganja v terciarni strukturi. Vzroki za ta postopek pa še niso znani. Med drugim vpliv aluminij o strukturnih spremembah beljakovin tau.
