Denaturacija pomeni, da postane snov neučinkovita za določen namen, ne da bi se spremenila njena kemična sestava. Izraz ima številne bolj specifične pomene, vendar se najpogosteje uporablja v povezavi z beljakovinami in nukleinskimi kislinami. Te so sestavljene iz verigastih molekul, ki se lahko zložijo na različne načine in tvorijo kompleksne tridimenzionalne oblike. Povezave v verigah držijo skupaj z močnimi kovalentnimi vezmi, vendar so gube posledica različnih vrst vezi, ki so običajno šibkejše in se lahko prekinejo s toploto in različnimi kemičnimi sredstvi. Molekule naj bi bile denaturirane, ko so bile nekatere ali vse te vezi pretrgane, zaradi česar so izgubile svojo obliko, vendar so verige ostale nedotaknjene in kemična sestava nespremenjena.
Struktura beljakovin in nukleinske kisline
Beljakovine so sestavljene iz aminokislin in so organizirane na več različnih strukturnih ravneh. Primarna struktura je preprosto zaporedje aminokislinskih gradnikov, ki opredeljujejo beljakovine. Ti gradniki se držijo skupaj s kovalentnimi vezmi, znanimi kot peptidne vezi. Sekundarne, terciarne in kvartarne strukture opisujejo tridimenzionalno razporeditev beljakovinskih podenot, celih beljakovin in proteinskih kompleksov. Te strukture so posledica tvorbe različnih vrst relativno šibkih vezi med enotami na različnih delih verige.
Sekundarna struktura je posledica vodikove vezi med atomom vodika v eni aminokislinski enoti in atomom kisika v drugi. To lahko ustvari zvito ali listnato tvorbo ali kombinacijo obeh. Terciarna struktura je posledica vezi, ki nastanejo med temi tuljavami in listi, kar daje tridimenzionalno beljakovinsko enoto. Kvartarna struktura nastane s povezovanjem dveh ali več teh enot.
Terciarne in kvartarne strukture držijo skupaj različne vrste vezi, vključno z vodikovimi vezmi. Nastanejo lahko tudi kovalentne disulfidne vezi med atomi žvepla v dveh aminokislinskih enotah. “Solni mostovi” nastanejo, ko se nasprotno nabiti deli molekul med seboj privlačijo na podoben način kot ionske vezi, ki jih najdemo v soli.
Denaturacija na splošno ne vpliva na primarno strukturo, vendar povzroči razgradnjo kompleksne tridimenzionalne razporeditve beljakovin. Večina beljakovinskih funkcij je posledica kemičnih lastnosti, ki izhajajo iz tridimenzionalne ureditve aminokislinskih verig, zato razgradnja takšnih struktur na splošno povzroči izgubo funkcije beljakovin. Encimi so pomemben razred beljakovin, kjer so oblike molekul ključnega pomena za njihove funkcije.
Nukleinske kisline, kot sta DNK in RNA, imajo dve verigi, zgrajeni iz enot, znanih kot baze. Prameni so povezani v obliko dvojne vijačnice z vodikovimi vezmi med bazami na nasprotnih straneh. Med denaturacijo se prameni ločijo s pretrganjem teh vezi.
Vzroki za denaturacijo
Številni dejavniki lahko povzročijo denaturacijo beljakovin in nukleinskih kislin. Zaradi segrevanja molekule močneje vibrirajo, kar lahko privede do pretrganja vezi, zlasti šibkejših. Številne beljakovine bodo denaturirane, če jih segrejemo na temperaturo nad 105.8°F (41°C), zaradi prekinitve vodikovih vezi. Poznan primer je sprememba, ki se pojavi v jajčnem beljaku, ko se segreje: beljakovinski albumin se denaturira in se iz prozornega gela spremeni v belo trdno snov. Beljakovine se tudi denaturirajo, ko je hrana kuhana, proces, ki ubija škodljive mikroorganizme.
Denaturacijo lahko povzročijo tudi različni kemični agensi. Močne kisline in baze zaradi svoje ionske narave medsebojno delujejo s solnimi mostovi, ki pomagajo držati skupaj terciarne strukture beljakovin. Pozitivno in negativno nabite dele teh spojin privlačijo nasprotno nabiti deli mostu beljakovinske soli, kar prekine povezavo med različnimi deli beljakovinske verige. Ta učinek imajo lahko tudi soli nekaterih kovin.
Tudi kovalentne disulfidne vezi se lahko pretrgajo, kar vodi do denaturacije. To lahko storijo spojine nekaterih težkih kovin, kot so svinec, živo srebro in kadmij, saj se zlahka vežejo z žveplom. Vez žveplo-žveplo se lahko prekine tudi, ko se vsak atom žvepla poveže z atomom vodika. Nekatera redukcijska sredstva bodo povzročila ta učinek.
Različna organska topila imajo lahko tudi denaturacijski učinek, tako da prekinejo vodikove vezi med aminokislinami, ki vzdržujejo terciarno strukturo. En primer je etanol, ki se običajno imenuje alkohol. Z deli beljakovinskih molekul tvori lastne vodikove vezi, ki nadomeščajo prvotne.
Denaturiran alkohol
Izraz “denaturacija” se včasih uporablja za označevanje postopka, da postane hrana ali pijača neužitna, vendar je poleg uživanja še vedno uporabna za nekatere funkcije. Najpogostejši primer tega je denaturirani alkohol, imenovan tudi metilni alkohol. Izdelek se pogosto uporablja kot topilo ali gorivo, davkom na alkohol za pitje pa se je mogoče izogniti, če se uporablja v druge namene, če je neupiten. Alkohol sam po sebi ni kemično spremenjen, vendar ga dodatki, običajno metanol, naredijo strupenega.