Denaturēšana nozīmē vielas padarīšanu par neefektīvu kādam nolūkam, nemainot tās ķīmisko sastāvu. Terminam ir vairākas specifiskākas nozīmes, bet visbiežāk to lieto saistībā ar olbaltumvielām un nukleīnskābēm. Tās sastāv no ķēdēm līdzīgām molekulām, kuras var salocīties dažādos veidos, veidojot sarežģītas trīsdimensiju formas. Ķēžu saites tiek turētas kopā ar spēcīgām kovalentām saitēm, bet krokas rodas dažādu saišu veidu rezultātā, kas parasti ir vājākas un kuras var pārraut karstuma un dažādu ķīmisku vielu ietekmē. Tiek uzskatīts, ka molekulas ir denaturētas, kad dažas vai visas no šīm saitēm ir pārrautas, kā rezultātā tās zaudē savu formu, bet ķēdes paliek neskartas un ķīmiskais sastāvs nav mainīts.
Olbaltumvielu un nukleīnskābju struktūra
Olbaltumvielas sastāv no aminoskābēm un ir sakārtotas vairākos dažādos struktūras līmeņos. Primārā struktūra ir vienkārši aminoskābju veidojošo bloku secība, kas nosaka proteīnu. Šos celtniecības blokus satur kovalentās saites, kas pazīstamas kā peptīdu saites. Sekundārās, terciārās un kvartārās struktūras apraksta olbaltumvielu apakšvienību, veselu proteīnu un proteīnu kompleksu trīsdimensiju izvietojumu. Šīs struktūras rodas no aminoskābju bloku ķēdēm, kas salokās uz sevi, veidojot dažāda veida relatīvi vājas saites starp vienībām dažādās ķēdes daļās.
Sekundārā struktūra rodas no ūdeņraža saites starp ūdeņraža atomu vienā aminoskābes vienībā un skābekļa atomu citā. Tas var radīt satītu vai loksnēm līdzīgu veidojumu vai abu kombināciju. Terciārā struktūra rodas no saitēm, kas veidojas starp šīm spolēm un loksnēm, veidojot trīsdimensiju proteīna vienību. Kvartārā struktūra veidojas, savienojot divas vai vairākas no šīm vienībām.
Terciārās un kvartārās struktūras satur dažādi saišu veidi, tostarp ūdeņraža saites. Var veidoties arī kovalentās disulfīda saites starp sēra atomiem divās aminoskābju vienībās. “Sāls tilti” veidojas, kad pretēji lādētas molekulu daļas pievelk viena otru līdzīgā veidā ar jonu saitēm, kas atrodas sāļos.
Denaturācija parasti neietekmē primāro struktūru, bet tā izraisa olbaltumvielu sarežģīto trīsdimensiju izkārtojumu degradāciju. Lielākā daļa olbaltumvielu funkciju rodas ķīmisko īpašību rezultātā, kas izriet no aminoskābju ķēžu trīsdimensiju izvietojuma, tāpēc šādu struktūru degradācija parasti izraisa olbaltumvielu funkcijas zudumu. Fermenti ir svarīga proteīnu klase, kur molekulu formai ir izšķiroša nozīme to funkcijām.
Nukleīnskābēm, piemēram, DNS un RNS, ir divas virknes, kas veidotas no vienībām, kas pazīstamas kā bāzes. Virzieni ir savienoti kopā dubultā spirāles formā ar ūdeņraža saitēm starp bāzēm pretējās pusēs. Denaturācijas laikā dzīslas tiek atdalītas, pārraujot šīs saites.
Denaturācijas cēloņi
Vairāki faktori var izraisīt proteīnu un nukleīnskābju denaturāciju. Karsēšana liek molekulām enerģiskāk vibrēt, kas var izraisīt saišu pārtraukšanu, īpaši vājāko. Daudzi proteīni tiks denaturēti, ja tie tiek uzkarsēti līdz temperatūrai virs 105.8 °F (41 °C), jo tiek pārrautas ūdeņraža saites. Pazīstams piemērs ir izmaiņas, kas notiek olu baltumā, kad to karsē: proteīna albumīns tiek denaturēts un no caurspīdīgas želejas pārvēršas baltā cietā vielā. Olbaltumvielas tiek denaturētas arī ēdiena gatavošanas laikā, kas nogalina kaitīgos mikroorganismus.
Denaturāciju var izraisīt arī dažādi ķīmiski faktori. Spēcīgas skābes un bāzes to jonu rakstura dēļ mijiedarbojas ar sāls tiltiem, kas palīdz noturēt kopā proteīnu terciārās struktūras. Pozitīvi un negatīvi lādētās šo savienojumu daļas tiek piesaistītas proteīna sāls tilta pretēji lādētajām daļām, pārtraucot saikni starp dažādām olbaltumvielu ķēdes daļām. Arī dažu metālu sāļiem var būt šāda ietekme.
Kovalentās disulfīda saites var arī pārraut, izraisot denaturāciju. Dažu smago metālu savienojumi, piemēram, svins, dzīvsudrabs un kadmijs, to var izdarīt, jo tie viegli saistās ar sēru. Sēra-sēra saiti var pārraut arī tad, kad katrs sēra atoms saistās ar ūdeņraža atomu. Daži reducējošie līdzekļi radīs šo efektu.
Dažādiem organiskiem šķīdinātājiem var būt arī denaturējoša iedarbība, pārtraucot ūdeņraža saites starp aminoskābēm, kas uztur terciāro struktūru. Viens piemērs ir etanols, ko parasti sauc par alkoholu. Tas pats veido ūdeņraža saites ar proteīnu molekulu daļām, aizstājot sākotnējās.
Denaturēts spirts
Terminu “denaturēšana” dažreiz lieto, lai apzīmētu procesu, kurā ēdiens vai dzēriens tiek padarīts neēdams, taču tas joprojām ir noderīgs kādai funkcijai, izņemot patēriņu. Visizplatītākais piemērs tam ir denaturēts spirts, ko dēvē arī par metilspirtu. Produkts bieži tiek izmantots kā šķīdinātājs vai degviela, un dzeramajam alkoholam uzliktajiem nodokļiem var izvairīties, ja to izmanto citiem mērķiem, ja tas ir padarīts nedzerams. Pats spirts nav ķīmiski pārveidots, bet piedevas, parasti metanols, padara to toksisku.