Dénaturation (biochimie)

La protéine de cet œuf a subi une dénaturation et une perte de solubilité, causées par la température élevée du processus de cuisson.

Si les protéines d’une cellule vivante sont dénaturées, cela entraîne une perturbation de l’activité cellulaire et éventuellement la mort cellulaire. Les protéines dénaturées peuvent présenter un large éventail de caractéristiques, de la perte de solubilité à l’agrégation communautaire. L’alcool dénaturé est une exception à cette définition, car le terme ne fait pas référence à une altération de la structure de la substance, mais à l’ajout de toxines et d’autres éléments pour la rendre imbuvable.

Exemples courants

Lorsque les aliments sont cuits, certaines de leurs protéines sont dénaturées. C’est pourquoi les œufs durs deviennent durs et la viande cuite devient ferme.

Un exemple classique de dénaturation des protéines provient des blancs d’œufs, qui sont en grande partie des albumines d’œufs dans l’eau. Fraîchement sortis des œufs, les blancs d’œufs sont transparents et liquides. La cuisson des blancs, thermiquement instables, les rend opaques, formant une masse solide interconnectée. La même transformation peut être effectuée avec un produit chimique dénaturant. Verser des blancs d’œufs dans un bécher d’acétone rendra également les blancs d’œufs opaques et solides. La peau qui se forme sur le lait caillé est un autre exemple courant de protéine dénaturée. Et l’entrée froide traditionnelle péruvienne connue sous le nom de ceviche est préparée en  » cuisant  » chimiquement du poisson et des crustacés crus dans une marinade acide aux agrumes, sans chaleur.

Bien que la dénaturation des blancs d’œufs soit irréversible, dans de nombreux autres cas, la dénaturation est réversible.

Les protéines dénaturées peuvent présenter un large éventail de caractéristiques, de la perte de solubilité à l’agrégation communale. L’agrégation communale est le phénomène d’agrégation des protéines hydrophobes pour se rapprocher et former la liaison entre elles, de manière à réduire la surface totale exposée à l’eau. La formation d’agrégats est un problème très courant chez les protéines hydrophobes. Ces agrégats entravent le processus de filtration par la formation de gâteau.

Background

Les protéines fonctionnelles ont quatre niveaux d’organisation structurelle :
1) Structure primaire : la structure linéaire des acides aminés dans la chaîne polypeptidique
2) Structure secondaire : les liaisons hydrogène entre les chaînes de groupes peptidiques dans une hélice alpha ou bêta
3) Structure tertiaire : structure tridimensionnelle des hélices alpha et des hélices bêta repliées
4) Structure quaternaire : structure tridimensionnelle de plusieurs polypeptides et comment ils s’assemblent

Processus de dénaturation : 1) Protéine fonctionnelle présentant une structure quaternaire 2) lorsque la chaleur est appliquée, elle modifie les liaisons intramoléculaires de la protéine 3) dépliage des polypeptides (acides aminés)

Les protéines sont de très longs brins d’acides aminés liés entre eux selon des séquences spécifiques. Une protéine est créée par les ribosomes qui « lisent » l’ARNm codé par les codons du gène et assemblent la combinaison d’acides aminés requise à partir de l’instruction génétique, dans un processus appelé traduction. Le brin de protéine nouvellement créé subit ensuite une modification post-traductionnelle, au cours de laquelle des atomes ou des molécules supplémentaires sont ajoutés, par exemple du cuivre, du zinc ou du fer. Une fois ce processus de modification post-traductionnelle terminé, la protéine commence à se replier (spontanément, et parfois avec l’aide d’une enzyme), s’enroulant sur elle-même de sorte que les éléments hydrophobes de la protéine soient enfouis profondément dans la structure et que les éléments hydrophiles se retrouvent à l’extérieur. La forme finale d’une protéine détermine la façon dont elle interagit avec son environnement.

Lorsqu’une protéine est dénaturée, les structures secondaires et tertiaires sont modifiées mais les liaisons peptidiques entre les acides aminés restent intactes. Comme la structure de la protéine détermine sa fonction, la protéine ne peut plus remplir sa fonction une fois qu’elle a été dénaturée. Ceci est en contraste avec les protéines intrinsèquement non structurées, qui sont dépliées dans leur état natif, mais toujours fonctionnellement actives.

Comment la dénaturation se produit aux niveaux de la structure des protéines

• Dans la dénaturation de la structure quaternaire, les sous-unités protéiques sont dissociées et/ou l’arrangement spatial des sous-unités protéiques est perturbé.
• La dénaturation de la structure tertiaire implique la perturbation de :

• Des interactions covalentes entre les chaînes latérales d’acides aminés (telles que les ponts disulfure entre les groupes cystéine)
• Des interactions dipôle-dipôle non covalentes entre les chaînes latérales d’acides aminés polaires (et le solvant environnant)
• Des interactions Van der Waals (dipôle induit) entre les chaînes latérales d’acides aminés non polaires.

• Dans la dénaturation de la structure secondaire, les protéines perdent tous les motifs répétitifs réguliers tels que les hélices alpha et les feuillets plissés bêta, et adoptent une configuration aléatoire en bobine.
• La structure primaire, telle que la séquence d’acides aminés maintenus ensemble par des liaisons peptidiques covalentes, n’est pas perturbée par la dénaturation.

Perte de fonction

La plupart des protéines biologiques perdent leur fonction biologique lorsqu’elles sont dénaturées. Par exemple, les enzymes perdent leur activité, parce que les substrats ne peuvent plus se lier au site actif, et parce que les résidus d’acides aminés impliqués dans la stabilisation des états de transition des substrats ne sont plus positionnés pour pouvoir le faire.

Réversibilité et irréversibilité

Dans de nombreuses protéines (contrairement aux blancs d’œufs), la dénaturation est réversible (les protéines peuvent retrouver leur état natif lorsque l’influence dénaturante est supprimée). Ce phénomène était important historiquement, car il a conduit à la notion que toutes les informations nécessaires pour que les protéines prennent leur état natif étaient codées dans la structure primaire de la protéine, et donc dans l’ADN qui code pour la protéine.

Dénaturation des acides nucléiques

La dénaturation des acides nucléiques tels que l’ADN due à des températures élevées, est la séparation d’un double brin en deux brins simples, qui se produit lorsque les liaisons hydrogène entre les brins sont rompues. Ce phénomène peut se produire pendant la réaction en chaîne de la polymérase. Les brins d’acide nucléique se réalignent lorsque les conditions « normales » sont rétablies pendant le recuit. Si les conditions sont rétablies trop rapidement, les brins d’acide nucléique peuvent se réaligner de manière imparfaite.

Dénaturants

Acides

Les dénaturants acides de protéines comprennent :

• Acide acétique
• Acide trichloracétique 12% dans l’eau
• Acide sulfosalicylique

Solvants

La plupart des solvants organiques sont dénaturants, notamment :

• Ethanol
• Méthanol
• Acétone

Réactifs de réticulation

Les agents de réticulation pour les protéines comprennent :

• Formaldéhyde
• Glutaraldéhyde

Agents chaotropes

Les agents chaotropes comprennent :

• Urée 6 – 8 mol/l
• Chlorure de guanidinium 6 mol/l
• Perchlorate de lithium 4.5 mol/l

Les réducteurs de liaisons disulfures

Les agents qui rompent les liaisons disulfures par réduction comprennent :

• 2-Mercaptoéthanol
• Dithiothréitol
• TCEP (tris(2- ?carboxyéthyl)phosphine)

Autres

• Acide picrique

Voir aussi

• Acide aminé
• Peptide
• Protéine

• Lapanje, Savo. 1978. Aspects physico-chimiques de la dénaturation des protéines. Wiley. ISBN 978-0471034094
• MacNaught, Alan D., et Andrew R. Wilkinson (eds.). 1997. Compendium de terminologie chimique : Recommandations de l’UICPA (le « livre d’or »). Blackwell Science. ISBN 0865426848
• Whitford, David. 2005. Proteins : Structure and Function. Wiley. ISBN 978-0471498940