Denaturazione (biochimica)

La proteina di questo uovo ha subito una denaturazione e una perdita di solubilità, causata dall’alta temperatura del processo di cottura.

Se le proteine in una cellula vivente sono denaturate, ciò comporta l’interruzione dell’attività cellulare e possibilmente la morte della cellula. Le proteine denaturate possono presentare una vasta gamma di caratteristiche, dalla perdita di solubilità all’aggregazione comune. L’alcool denaturato è un’eccezione a questa definizione, poiché il termine si riferisce non a qualsiasi alterazione della struttura della sostanza ma all’aggiunta di tossine e altre cose per renderla imbevibile.

Esempi comuni

Quando il cibo viene cotto, alcune delle sue proteine diventano denaturate. Questo è il motivo per cui le uova sode diventano dure e la carne cotta diventa soda.

Un esempio classico di denaturazione delle proteine viene dall’albume, che è in gran parte albumina d’uovo in acqua. Appena usciti dalle uova, gli albumi sono trasparenti e liquidi. La cottura dei bianchi, termicamente instabili, li rende opachi, formando una massa solida interconnessa. La stessa trasformazione può essere effettuata con una sostanza chimica denaturante. Anche versare i bianchi d’uovo in un becher di acetone li rende opachi e solidi. La pelle che si forma sul latte cagliato è un altro esempio comune di proteina denaturata. E il tradizionale antipasto freddo peruviano noto come ceviche è preparato “cuocendo” chimicamente il pesce crudo e i crostacei in una marinata acida di agrumi, senza calore.

Anche se la denaturazione dell’albume è irreversibile, in molti altri casi, la denaturazione è reversibile.

Le proteine denaturate possono mostrare una vasta gamma di caratteristiche, dalla perdita di solubilità all’aggregazione comune. L’aggregazione comune è il fenomeno di aggregazione delle proteine idrofobiche per avvicinarsi e formare il legame tra loro, in modo da ridurre l’area totale esposta all’acqua. È un problema molto comune con le proteine idrofobiche per fare aggregati. Tali aggregati ostacolano il processo di filtrazione con la formazione di torte.

Sfondo

Le proteine funzionali hanno quattro livelli di organizzazione strutturale:
1) Struttura primaria : la struttura lineare degli amminoacidi nella catena polipeptidica
2) Struttura secondaria : legami a idrogeno tra le catene dei gruppi peptidici in un’elica alfa o beta
3) Struttura terziaria : struttura tridimensionale delle alfa eliche e delle beta eliche ripiegate
4) Struttura Quaternaria: struttura tridimensionale di più polipeptidi e come si adattano tra loro

Processo di denaturazione: 1) Proteina funzionale che mostra una struttura quaternaria 2) quando il calore viene applicato altera i legami intramolecolari della proteina 3) spiegamento dei polipeptidi (aminoacidi)

Le proteine sono filamenti molto lunghi di aminoacidi legati insieme in sequenze specifiche. Una proteina viene creata dai ribosomi che “leggono” l’mRNA codificato dai codoni del gene e assemblano la combinazione di aminoacidi richiesta dalle istruzioni genetiche, in un processo noto come traduzione. Il filamento proteico appena creato subisce poi una modifica post-traslazionale, in cui vengono aggiunti atomi o molecole supplementari, per esempio rame, zinco o ferro. Una volta che questo processo di modifica post-traslazionale è stato completato, la proteina comincia a ripiegarsi (spontaneamente, e a volte con l’assistenza enzimatica), arricciandosi su se stessa in modo che gli elementi idrofobici della proteina siano sepolti in profondità nella struttura e gli elementi idrofili finiscano all’esterno. La forma finale di una proteina determina il modo in cui interagisce con il suo ambiente.

Quando una proteina viene denaturata, le strutture secondarie e terziarie sono alterate ma i legami peptidici tra gli aminoacidi sono lasciati intatti. Poiché la struttura della proteina determina la sua funzione, la proteina non può più svolgere la sua funzione una volta che è stata denaturata. Questo è in contrasto con le proteine intrinsecamente non strutturate, che sono dispiegate nel loro stato nativo, ma ancora funzionalmente attive.

Come avviene la denaturazione a livelli di struttura proteica

• Nella denaturazione a struttura quaternaria, le subunità proteiche sono dissociate e/o la disposizione spaziale delle subunità proteiche è interrotta.
• La denaturazione della struttura terziaria comporta la rottura di:

• Interazioni covalenti tra le catene laterali degli amminoacidi (come i ponti disolfuro tra i gruppi di cisteina)
• Interazioni dipolo-dipolo non covalenti tra le catene laterali polari degli amminoacidi (e il solvente circostante)
• Interazioni Van der Waals (dipolo indotto) tra le catene laterali non polari degli amminoacidi.

• Nella denaturazione della struttura secondaria, le proteine perdono tutti gli schemi di ripetizione regolari, come gli alfa-elici e i fogli beta-pleati, e adottano una configurazione a spirale casuale.
• La struttura primaria, come la sequenza di aminoacidi tenuti insieme da legami peptidici covalenti, non è interrotta dalla denaturazione.

Perdita di funzione

La maggior parte delle proteine biologiche perde la sua funzione biologica quando viene denaturata. Per esempio, gli enzimi perdono la loro attività, perché i substrati non possono più legarsi al sito attivo, e perché i residui aminoacidici coinvolti nella stabilizzazione degli stati di transizione dei substrati non sono più posizionati per poterlo fare.

Reversibilità e irreversibilità

In molte proteine (a differenza dell’albume), la denaturazione è reversibile (le proteine possono recuperare il loro stato nativo quando l’influenza denaturante viene rimossa). Questo è stato storicamente importante, perché ha portato alla nozione che tutte le informazioni necessarie alle proteine per assumere il loro stato nativo erano codificate nella struttura primaria della proteina, e quindi nel DNA che codifica per la proteina.

Denaturazione degli acidi nucleici

La denaturazione degli acidi nucleici come il DNA dovuta alle alte temperature, è la separazione di un doppio filamento in due filamenti singoli, che avviene quando i legami idrogeno tra i filamenti sono rotti. Questo può accadere durante la reazione a catena della polimerasi. I filamenti di acido nucleico si riallineano quando le condizioni “normali” vengono ripristinate durante l’annealing. Se le condizioni sono ripristinate troppo rapidamente, i filamenti di acido nucleico possono riallinearsi in modo imperfetto.

Denaturanti

Acidi

I denaturanti acidi per le proteine includono:

• Acido acetico
• Acido tricloroacetico 12% in acqua
• Acido solfosalicilico

Solventi

La maggior parte dei solventi organici sono denaturanti, inclusi:

• Etanolo
• Metanolo
• Acetone

Reagenti di cross linking

Gli agenti di cross linking per le proteine includono:

• Formaldeide
• Glutaraldeide

Agenti caotropici

Gli agenti caotropici includono:

• Urea 6 – 8 mol/l
• Cloruro di guanidinio 6 mol/l
• Perclorato di litio 4.5 mol/l

Riduttori di legami disolfuro

Gli agenti che rompono i legami disolfuro per riduzione includono:

• 2-Mercaptoetanolo
• Ditiotreitolo
• TCEP (tris(2-carbossietil fosfina)

Altro

• Acido picrico

Vedi anche

• Aminoacido
• Peptide
• Proteina

• Lapanje, Savo. 1978. Aspetti fisico-chimici della denaturazione delle proteine. Wiley. ISBN 978-0471034094
• MacNaught, Alan D., and Andrew R. Wilkinson (eds.). 1997. Compendio di terminologia chimica: Raccomandazioni IUPAC (il “Libro d’oro”). Blackwell Science. ISBN 0865426848
• Whitford, David. 2005. Proteine: Struttura e funzione. Wiley. ISBN 978-0471498940