Denatūravimas (de… + lot. natura - įgimtos savybės, prigimtis) - tai biopolimerų molekulių natūralios, biologiškai aktyvios konformacijos pakeitimas. Tai natūralios erdvinės baltymo struktūros pažeidimas. Natūralios baltymo makromolekulės pasikeitimas išorinių veiksnių įtakoje vadinamas DENATŪRACIJA.

Kas Yra Baltymai?

Baltymai yra stambiamolekuliai organiniai junginiai, sudaryti iš α‑aminorūgščių liekanų, sujungtų peptidiniu (kovalentiniu) ryšiu. Tai polimerinės medžiagos, sudarytos ir monomerų - aminorūgščių. Kiekvienam baltymui būdinga pirminė ir antrinė struktūra. Baltymai yra visų gyvų organizmų ląstelių pagrindas - sudaro apie 50 % protoplazmos; jų yra gyvūnų organizmo skysčiuose.

Baltymai kaupiasi kiaušinyje, piene, augalų sėklose ir kitur. Jie yra organizme vykstančių reakcijų katalizatoriai (fermentai), svarbūs augimui ir dauginimuisi (nukleoproteinai), susitraukiant raumenims (aktinas, miozinas), perneša pro membranas ar per kraują įvairias medžiagas arba jonus (pvz., albuminai), priima hormonų ar kitus signalus (receptoriai), saugo organizmą nuo svetimkūnių (antikūnai, komplemento komponentai) ar nukraujavimo (krešėjimo baltymai), reguliuoja procesus (hormonai), aktyvina genus ir kita. Netirpūs baltymai (kolagenai, keratinai, elastinas ir kiti) palaiko audinių bei organų struktūras. Baltymai yra ir kai kurie bakterijų bei augalų toksinai.

Baltymai - svarbi maisto sudedamoji dalis. Suaugusio žmogaus 1 kg kūno masės parai reikia ne mažiau kaip 1 g maisto baltymų, bent pusę jų turi sudaryti gyvulinės kilmės (mėsos, žuvies, pieno, kiaušinio), kitą dalį - augalinės kilmės baltymai (pupinių, grūdinių javų, ryžių, grikių, sojų ir kitų augalų). Baltymų molekulinė masė nuo apie 5000 iki kelių milijonų.

Baltymų Klasifikacija

Baltymai klasifikuojami pagal sudėtį (paprastieji ir sudėtiniai), tirpumą (tirpūs vandenyje, praskiestuose druskų tirpaluose bei juose netirpūs), vietą ląstelėje (membranų, mitochondrijų, citoplazmos) arba organizme (kraujo, kepenų), kilmę (bakterijų, virusų, augalų, gyvūnų), svarbą mityboje (visaverčiai ir nevisaverčiai), funkciją (apsauginiai, struktūriniai), molekulės formą (fibriliniai ir globuliniai).

• Struktūriniai baltymai: Kolagenas, Keratinas, Elastinas, Mukoproteinas (jungiamojo audinio tarplastelinės medžiagos komponentas, esantis kauluose, sausgyslėse ir kremzlėse; įeina į odos, plunksnų, nagų, plaukų sudėtį; elastinėse skaidulose funkcionuoja kaip struktūrinis elementas).
• Apsauginiai baltymai: Fibrinogenas, Lizocimas (svarbus kraujo krešėjimui, nes veikiamas trombino virsta netirpiu baltymu fibrinu).
• Hormonai: Insulinas, Gliukagonas, Stomatropinas (mažina gliukozės kiekį kraujyje; didina gliukozės kiekį kraujyje; skatina visų audinių ir kaulų augimą, stimuliuoja ilgųjų kaulų augimą).
• Transportiniai baltymai: Albuminas, Hemocianinas (tirpus kraujo plazmos baltymas, gabenas kraujyje steroidus ir riebiasias rūgštis).
• Sandėliniai baltymai: Feritinas, Mioglobinas (geležies atomų atsargą ląstelėse saugantis baltymas).
• Judėjimo baltymai: Miozinas, Aktinas (raumeninės skaidulos judantys siūlai).
• Atsarginiai baltymai.
• Fermentai: Tripsinas, Amilazė, Lipazė, DNR polimerazė, karboanhidrazė (katalizuoja baltymų hidrolizę virškinamąjame trakte; skaido krakmolą burnos ertmėje; skaido riebalus virškinimo trakte; dalyvauja dvigubėjant DNR ir baltymų biosintezėje; kraujo fermentas).

Paprastieji baltymai (proteinai) sudaryti tik iš α‑aminorūgščių. Juose yra apie 50 % anglies, 23 % deguonies, 16 % azoto, 7 % vandenilio, 2,5 % sieros. Jiems priskiriami albuminai, dalis globulinų, histonai, protaminai, gliutelinai, prolaminai, netirpūs baltymai. Į sudėtinių baltymų (proteidų) sudėtį įeina ir prostetinė grupė.

Baltymų Struktūra

Yra 4 baltymų struktūriniai lygiai.

1. Pirminė baltymų struktūra yra genų koduojama 20 α‑aminorūgščių seka polipeptidinėje grandinėje. Ji lemia visas baltymų savybes.
2. Antrinės baltymų struktūros - α spiralės ir β klostinės struktūros palaikomos vandenilinių ryšių, susidarančių tarp polipeptidinių ryšių H ir O atomų. Fibrilinių baltymų antrinė struktūra gali būti spiralinė (α spiralė miozine) arba klostyta (β‑keratine).
3. Tretinę baltymų struktūrą turi globuliniai baltymai: polipeptidinių grandinių α spiralės ar β klostinės struktūros kompaktiškai išsidėsto erdvėje, molekulė įgyja rutulio formą. Ją stabilizuoja kovalentiniai disulfidiniai ryšiai, elektrostatinė sąveika bei vandeniliniai ryšiai tarp aminorūgščių radikalų grupių. Labai svarbi ir aminorūgščių hidrofobinių radikalų sąveika - jie atsiduria globulės viduje, o hidrofiliniai radikalai - paviršiuje. Tokią struktūrą sudaro vandenyje ar praskiestuose druskų tirpaluose tirpūs baltymai (fermentai, antikūnai, kraujo plazmos baltymai ir kiti). Fibrilinių baltymų tretinė (erdvinė) struktūra - kelių ar keliolikos antrines struktūras turinčių polipeptidinių grandinių sąveika sudarant įvairias fibriles, skaidulas. Šiuose baltymuose hidrofobiniai aminorūgščių radikalai yra paviršiuje, todėl jie netirpsta vandenyje ar praskiestuose druskų tirpaluose.
4. Ketvirtinės struktūros baltymai sudaryti iš vienodų ar skirtingų polipeptidinių grandinių (monomerų): sudaryti iš kelių (bent dviejų), vadinami oligomeriniais, o iš keliasdešimt - multimeriniais baltymais. Pvz., kraujo baltymą hemoglobiną sudaro 4 polipeptidinės grandinės, kurių kiekviena (kartu su hemu) turi globulės formą. Ryšiai tarp globulių netvirti, palaikomi hidrofilinių aminorūgščių radikalų grupių elektrostatinės sąveikos ar vandenilinių ryšių.

Antrinė, tretinė ir ketvirtinė baltymų struktūros vadinamos erdvine jų struktūra. Ji tiriama baltymų kristaluose rentgenostruktūrinės analizės metodu.

Kas Sukelia Baltymų Denatūraciją?

Baltymus, nukleorūgštis galima denatūruoti įvairiais cheminiais agentais, keičiant pH, kaitinant, švitinant ultravioletiniais bei rentgeno spinduliais. Tai yra dėl šildymo ar cheminių reagentų poveikio tam tikrų nekovalentinių ryšių suardymas, sukeliantis polipeptidinės grandinės išsisukimą ir biologinės funkcijos praradimą.

Erdvinę baltymų struktūrą suardo (baltymus denatūruoja) temperatūra, pH pokyčiai, ultravioletinė bei rentgeno spinduliuotė, redukuojančiosios medžiagos.

• Rūgščių poveikis baltymui: Pilant azoto rūgštį, baltyme nutrūksta ryšiai, palaikantys tretinę struktūrą.
• Sunkiųjų metalų druskų poveikis baltymui: Įpylus tirpalo, turinčio sunkųjį metalą. Sunkiųjų metalų druskos baltymus denatūruoja.
• Temperatūros poveikis baltymui: Šildant baltymą - jis denatūruoja.

Baltymų Denatūracijos Procesas

Denatūruojant suyra silpni nekovalentiniai cheminiai ryšiai (elektrostatiniai, vandeniliniai, hidrofobinė sąveika), palaikantys molekulių erdvinę struktūrą, biopolimerai praranda savo biologines funkcijas. Suardymo (denatūracijos) metu suyra ryšiai, palaikantys baltymo ketvirtinę struktūrą, tačiau išlieka nepažeista jo pirminė struktūra.

Šio proceso metu baltymas gali išsivynioti, įgauti atsitiktinių, skirtingų kilpų ir kamuolėlių formą, netekti hidratinio apvalkalo ir nusėsti nuosėdomis. Nusodintas suardytas (denatūruotas) baltymas skiriasi nuo tokio paties baltymo, nusodinto išsūdymo būdu. Išsūdymo metu išlieka baltymo natūralioji struktūra, o suardymo (denatūravimo) atveju neišlieka.

Paprastai suardymas (denatūracija) yra negrįžtamasis procesas, tačiau pašalinus denatūruojamąjį veiksnį pirmųjų suardymo (denatūracijos) stadijų metu, baltymas kartais gali atsigauti ir grįžti į savo natūraliąją būseną, t. y. pašalinus denatūravimą sukėlusį veiksnį kartais galima atkurti natūralią aktyvią struktūrą. Baltymams būdingos amfoterinių junginių savybės. Jas lemia polinių ir hidrofilinių aminorūgščių radikalai. Priklausomai nuo tirpalo pH reikšmės, baltymai įgyja teigiamą (rūgščioje terpėje) arba neigiamą (šarminėje terpėje) krūvį.

Spalvinės Baltymų Reakcijos

• Ksantoproteino (geltonoji baltymų) reakcija: Ksantoproteino (geltonoji baltymų) reakcijos metu šildant baltymus su koncentruota azoto rūgštimi.
• Biureto reakcija: Biureto reakcija - Pridėjus vario druskų ir NaOH baltymų tirpalai nusidažo violetine spalva.
• Su koncentruota sieros ar azoto rūgštimi sudaro geltonas nuosėdas.

Baltymų Išskyrimas ir Gryninimas

Jeigu tiriamas baltymas yra stipriai sujungtas su tam tikromis ląstelės struktūromis, jį reikia išskirti į skystį. Hidrofobinei sąveikai tarp baltymų ir membranų lipidų ardyti naudojami detergentai. Dažniausiai naudojamas tritonas X-100 arba natrio dodecilsulfatas. Lipidai lengvai pašalinami, panaudojus organinius tirpiklius, pvz., acetoną. Tačiau tai neturi užtrukti, nes acetonas gali denatūruoti tam tikrus baltymus. Baltymų konformacija yra labili, todėl reikia vengti baltymų denatūruojančio poveikio.

Baltymų gryninimo būdai:

• Pasirenkamas denatūracijos būdu.
• Išsūdymas remiasi jų išskirtiniu tirpumu įvairios koncentracijos druskų tirpaluose. Šarminių ir žemės šarminių metalų druskos baltymus nusodina grįžtamojo nusodinimo būdu, t. y. juos vėliau galima vėl ištirpinti.
• Gelfiltracija.
• Ultracentrifugavimas taip pat paremtas baltymų skirtinga molekuline mase. Sedimentacijos greitis proporcingas jų molekulinei masei.
• Baltymų elektroforezė remiasi tuo, kad esant tam tikrai pH ir tirpalo joninei jėgai elektriniame lauke, baltymai juda greičiu, proporcingu jų suminiam krūviui.
• Jonų mainų chromatografija, kaip ir elektroforezė, remiasi suminio krūvio skirtingumu. Naudojami polimerai, turintys skirtingo krūvio funkcines grupes (jonų mainų).
• Giminingumo (afininė) chromatografija remiasi skirtinga baltymų sąveika su ligandais, kurie yra pritvirtinti (imobilizuoti) prie kieto nešiklio. Ligandai gali būti substratas arba kofermentas. Prie ligandų jungiasi tik baltymas. Ši sąveika yra specifinė. Visi kiti baltymai patenka į eliuatą.

---