Denaturointi tarkoittaa aineen tehottomuutta johonkin tarkoitukseen muuttamatta sen kemiallista koostumusta. Termillä on useita tarkempia merkityksiä, mutta sitä käytetään yleisimmin proteiinien ja nukleiinihappojen yhteydessä. Nämä koostuvat ketjun kaltaisista molekyyleistä, jotka voivat taittua eri tavoin muodostaen monimutkaisia kolmiulotteisia muotoja. Ketjujen lenkkejä pitävät yhdessä vahvat kovalenttiset sidokset, mutta taitokset johtuvat useista sidostyypeistä, jotka ovat yleensä heikompia ja jotka voivat rikkoutua lämmöstä ja erilaisista kemiallisista aineista. Molekyylien sanotaan denaturoituneen, kun osa tai kaikki näistä sidoksista on katkennut, jolloin ne menettävät muodonsa, mutta jättävät ketjut koskemattomiksi ja kemiallisen koostumuksen muuttumattomiksi.
Proteiini- ja nukleiinihapporakenne
Proteiinit koostuvat aminohapoista ja ovat organisoituneet useille eri rakenteellisille tasoille. Ensisijainen rakenne on yksinkertaisesti aminohappojen rakennuspalikoiden sekvenssi, joka määrittää proteiinin. Näitä rakennuspalikoita pidetään yhdessä kovalenttisilla sidoksilla, joita kutsutaan peptidisidoksiksi. Toissijaiset, tertiääriset ja kvaternaariset rakenteet kuvaavat proteiiniyksiköiden, kokonaisten proteiinien ja proteiinikompleksien kolmiulotteisia järjestelyjä. Nämä rakenteet johtuvat aminohappojen rakennuspalikoiden ketjuista, jotka taittuvat päällekkäin johtuen erityyppisten suhteellisen heikkojen sidosten muodostumisesta ketjun eri osien yksiköiden välille.
Toissijainen rakenne johtuu vetyatkosidoksesta yhden aminohappoyksikön vetyatomin ja toisen happiatomin välillä. Tämä voi tuottaa kelatun tai arkin kaltaisen muodostuman tai molempien yhdistelmän. Tertiäärinen rakenne johtuu sidosten muodostumisesta näiden kelojen ja arkkien väliin, jolloin saadaan kolmiulotteinen proteiiniyksikkö. Kvaternaarinen rakenne muodostuu kahden tai useamman näistä yksiköistä.
Kolmannen ja neljänneksen rakenteet ovat yhdessä useiden sidostyyppien, mukaan lukien vetysidokset, välillä. Myös kovalenttiset disulfidisidokset voivat muodostua rikkiatomien välille kahdessa aminohappoyksikössä. “Suolasiltoja” muodostuu, kun vastakkaisesti varautuneet molekyylien osat houkuttelevat toisiaan samalla tavalla kuin suoloissa olevat ionisidokset.
Denaturointi ei yleensä vaikuta ensisijaiseen rakenteeseen, mutta se aiheuttaa proteiinien monimutkaisten kolmiulotteisten järjestelyjen hajoamista. Useimmat proteiinitoiminnot johtuvat kemiallisista ominaisuuksista, jotka johtuvat aminohappoketjujen kolmiulotteisista järjestelyistä, joten tällaisten rakenteiden hajoaminen johtaa yleensä proteiinitoiminnan menetykseen. Entsyymit ovat tärkeä proteiiniluokka, jossa molekyylien muodot ovat ratkaisevia niiden toiminnalle.
Nukleiinihapoissa, kuten DNA: ssa ja RNA: ssa, on kaksi juosetta, jotka on rakennettu emäksiksi tunnetuista yksiköistä. Säikeet on sidottu yhteen kaksoiskierremuotoon vastakkaisilla puolilla olevien emästen välisillä vetysidoksilla. Denaturoinnin aikana säikeet erotetaan katkaisemalla nämä sidokset.
Denaturoinnin syyt
Monet tekijät voivat aiheuttaa proteiinien ja nukleiinihappojen denaturoitumisen. Kuumeneminen saa molekyylit värähtelemään voimakkaammin, mikä voi johtaa sidosten katkeamiseen, etenkin heikompiin. Monet proteiinit denaturoituvat, jos ne kuumennetaan yli 105.8 ° C: n (41 ° F) lämpötiloihin vetysidosten katkeamisen vuoksi. Tuttu esimerkki on muutos, joka tapahtuu munanvalkuaisessa kuumennettaessa: proteiinialbumiini denaturoituu ja muuttuu läpinäkyvästä geelistä valkoiseksi kiinteäksi aineeksi. Proteiinit denaturoituvat myös ruoan kypsentämisen yhteydessä, mikä tappaa haitallisia mikro -organismeja.
Denaturointi voi johtua myös erilaisista kemiallisista tekijöistä. Vahvat hapot ja emäkset ovat ionisen luonteensa vuoksi vuorovaikutuksessa suolasiltojen kanssa, jotka auttavat pitämään yhdessä proteiinien tertiääriset rakenteet. Näiden yhdisteiden positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet osat vetävät puoleensa proteiinisuolasillan vastakkain varautuneita osia, mikä katkaisee linkin proteiiniketjun eri osien välillä. Joidenkin metallien suoloilla voi myös olla tämä vaikutus.
Kovalenttiset disulfidisidokset voivat myös katketa, mikä johtaa denaturointiin. Joidenkin raskasmetallien yhdisteet, kuten lyijy, elohopea ja kadmium, voivat tehdä tämän, koska ne sitoutuvat helposti rikkiin. Rikki-rikki-sidos voi myös katketa, kun kukin rikkiatomi sitoutuu vetyatomiin. Jotkut pelkistävät aineet tuottavat tämän vaikutuksen.
Erilaisilla orgaanisilla liuottimilla voi myös olla denaturoiva vaikutus rikkomalla tertiäärisen rakenteen ylläpitävien aminohappojen väliset vetysidokset. Yksi esimerkki on etanoli, jota yleisesti kutsutaan alkoholiksi. Se muodostaa oman vetysidoksen proteiinimolekyylien osien kanssa korvaamalla alkuperäiset.
Denaturoitu alkoholi
Termiä “denaturointi” käytetään joskus viittaamaan prosessiin, jossa ruoka tai juoma muutetaan syötäväksi kelpaamattomaksi, mutta silti hyödylliseksi jollekin toiminnalle kulutuksen lisäksi. Yleisin esimerkki tästä on denaturoitu alkoholi, jota kutsutaan myös metyloiduksi alkoholiksi. Tuotetta käytetään usein liuottimena tai polttoaineena, ja juomaviin alkoholiin kohdistuvia veroja voidaan välttää, jos sitä käytetään muihin tarkoituksiin, jos se tehdään juomakelvottomaksi. Alkoholi ei ole kemiallisesti muuttunut, mutta lisäaineet, yleensä metanoli, tekevät siitä myrkyllisen.