Белок денатурация-ренатурация

Фиг. 42. Схема, иллюстрирующая денатурацию и ренатурацию белка. Полипептидная цепь нативного белка, свернутая и скрепленная внутримолекулярными дисульфид-ными мостиками, развертывается в результате восстановительного разрушения этих мостиков в 8 М мочевине с добавлением -меркаптоэтанола. После удаления мочевины и меркаптоэтанола происходит

Денатурация и ренатурация белков [c.139]

Белки, ренатурация (отжиг) — процесс, обратный денатурации, состоит в повторном хаотическом свертывании хаотичной белковой молекулы (денатурированной) в нативную конформацию. Материальной основой для рена рацни является специфическая аминокислотная последовательность в молекуле белка, так как нативная его конформация возникает в результате взаимодействия аминокислотных остатков между собой и с растворителем. Ренатурация возможна только при обратимой денатурации. Ренатурация — процесс самопроизвольный. [c.15]

Разрушение природной (нативной) макроструктуры белка называется денатурацией. Первичная структура белка при денатурации сохраняется. Денатурация может быть обратимой, так называемая ренатурация, если, она приводит к легко восстанавливаемому изменению в структуре. Необратимая денатурация часто происходит при тепловом воздействии (например свертывание яичного альбумина при варке яиц), У денатурированных белков снижается растворимость, а главное — исчезает биологическая активность. [c.372]

Биохнмич. эффекты высоких Д. При Д в неск. сотен МПа происходит денатурация белков, при этом меняются их антигенные св-ва, снижается активность токсинов. Особенно чувствительны к Д. процессы образования связей белок-лиганд и белок-белок. Так, для белков характерно значив уменьшение скорости ассоциации с повышением Д. (AV положительны и могут исчисляться сотнями см /моль). Денатурирующее влияние Д. зависит от природы белка, т-ры и pH среды. Напр., овальбумин необратимо коагулирует при 800 МПа, тогда как р-ры альбумина не претерпевают изменений даже при 1,9 ГПа. Д. может препятствовать тепловой денатурации белка и даже вызывать ренатурацию белка, де- [c.621]

Перейдем теперь к проблеме пространственной структуры белка. Соответствует ли нативная структура белка глобальному минимуму потенциальной функции или одному из локальных, который отделен от глобального большим потенциальным барьером Это важный вопрос для предсказания пространственной структуры белка. Шерага [187, 188, 19] принимает в качестве рабочей гипотезы, что нативной структуре отвечает узкое распределение конформаций вблизи глобального минимума, причем это распределение имеет наибольший статистический вес. В противном случае, по мнению Шерага, априорные расчеты были бы практически безнадежны. Те же идеи, основанные на экспериментах по денатурации и ренату-рации белков, выдвигает в своем обзоре Птицын [81]. На самом же деле большинство белков после ренатурации восстанавливает далеко не все свои свойства, и если их функцио- [c.158]

Важной является проблема обратимости денатурации, т. е. возможность вновь получить белок с исходной пространственной структурой и биологическими свойствами. Такой процесс называется ренатурацией. Впервые полную ренатурацию белка удалось осуществить на примере рибонуклеазы (К. Аифинсен, 1961). [c.105]

Свертывание белковой цепи. Для познания принципов структурной организации белковых молекул чрезвычайный интерес представляет явление денатурации (ренатурации). Переход нативной конформации белка в развернутую неструктурированную форму и обратный переход флуктуирующего статистического клубка в исходную компактную трехмерную структуру есть не что иное, как процессы разрушения и формирования именно тех самых связей, которые и обусловливают структурную организацию белковой молекулы. Анализ работ, посвященных экспериментальным и теоретическим исследованиям денатурации белков, был начат в предшествующем томе [2. Ч. III]. Перед тем как продолжить эту тему, кратко напомним основные итоги уже проведенного обсуждения. [c.81]

Исследования механизма свертывания, отвечающие второму подходу к установлению структурной организации белка, базируются на многочисленных физических, химических и биологических методах исследования, которые дают прямую или косвенную информацию о геометрических, термодинамических и кинетических аспектах процессов денатурации и ренатурации, механизме клеточного синтеза аминокислотной последовательности и взаимодействия белковых цепей с шаперона-ми. В исследованиях этого плана, как и предшествующего, надежда возлагается на то, что в результате анализа экспериментальных данных в конечном счете удастся разработать эмпирические правила, позволяющие предсказывать по известному химическому строению белка основные этапы свертывания, в первом случае, и нативную пространственную структуру, во втором. Далее, предполагается, если эти цели будут достигнуты, то станет ясно не только как возникает физиологически активная конформация, но и почему она возникает, т.е. бу- [c.77]

Принцип спонтанности был первоначально сформулирован на основе экспериментов по ренатурации, которые свидетельствовали о том, что после денатурации нативного белка и последующего удаления денатурирующего агента цепь повторно и самопроизвольно свертывается в исходную конформацию [94, 412]. Однако обоснованность такого заключения подвергалась определенным сомнениям вследствие того, что денатурация белка могла быть неполной. [c.177]

С другой стороны, каучук, вулканизированный серой, сохраняет свойства статистического клубка, несмотря на наличие ди- и полисуль-фидных мостиков. Изучение обратимой денатурации белков с разрывом и последующим спонтанным восстановлением первоначальных дисульфидных связей, прежде всего исследование К. Анфинсена [7] денатурации и ренатурации рибонуклеазы А, склоняет к предположению, что не 8-8-мостики создают нативную структуру, а, напротив, структура, формирующаяся за счет слабых взаимодействий, приводит к сближению вполне определенные остатки цистеина и тем самым обусловливает избирательное образование системы дисульфидных связей. Таким образом, можно заключить, что белковую глобулу создают слабые невалентные взаимодействия. Невалентные взаимодействия в водорастворимом белке мог) т возникать между пептидными группами основной цепи, между боковыми цепями аминокислотных остатков, между звеньями основной цепи и боковыми цепями. Кроме того, поскольку белок сохраняет свою нативную конформацию и функционирует только в водном растворе при определенных, так называемых физиологических значениях pH и ионной силы, то структура определяется также взаимодействиями белка с молекулами воды и находящимися в ней соединениями и ионами. Окружающая среда, помимо этого, оказывает конкурирующее и иное влияние на внутримолекулярные взаимодействия. Рассмотрим сложившееся мнение о природе перечисленных взаимодействий, об их вкладах в конформационную энергию и, следовательно, влиянии на стабильность пространственной структуры белковой молекулы. [c.232]

Т. Крейтон, сравнивая изученный им механизм свертывания белковой цепи БПТИ с имеющимися данными по денатурации Других белков, полагает, что трипсиновый ингибитор не является в этом отношении уникальным объектом [59]. Специфика его ренатурации не носит принципиального характера и легко объясняется малыми размерами молекулы, которые делают укладку полипептидной цепи более быстрой и прямолинейной по сравнению со сборкой пространственных структур высокомолекулярных белков. Он полагае - что упаковка и развертка природной полимерной аминокислотной последовательности описывается следующей кинетической формулой, общей для всех белков [c.381]

На самом же деле большинство белков после ренатурации восстанавливает далеко не все свои свойства, и если их функциональная активность сохраняется, то это не означает, что конформация белка осталась неизменной. Например, в работе [135] показано, что во многих белках (аргиназа, гексакиназа, дезоксирибонуклеаза, химотрипсиноген, уреаза, пепсин, лизоцим и др.) процесс денатурации развивается в две стадии, первая из которых соответствует повышенной свободе движения боковых радикалов, а вторая—необратимой перестройке структуры белка. Достоверно известно лишь, что один из наиболее спиральных белков — миоглобин — практически полностью восстанавливает все свои физико-химические свойства [136]. По-видимому, для большинства белков, в особенности тех, в которых нерегулярные участки велики, характерна утрата тех или иных свойств после ренатурации, и потому можно предположить, что их нативная структура отвечает метастабильной конформации, устанавливаемой в процессе синтеза белка на рибосоме. [c.394]

Классические исследования, свидетельствующие о возможности восстановления физиологически активной конформации белковой молекулы, были проведены еще в первые десятилетия XX в. Л. Миха-элисом, М. Ансоном, А. Мирским, Г. Нейратом, Ф. Гауровицем, Л. Полингом и др. [154]. В 1945 г. Ансон постулировал обратимость реакции денатурации—ренатурации белков [155]. [c.408]

Денатурация н ренатурация белков. До настоящего времени в белкоаой химии сохранился термин неупорядоченная структура или неупорядоченный (статистический) клубок . Так называют любые пространственные формы полипептидной цепи, которые не охватываются каноническими конформациями. Принято говорить о переходах а-спираль — клубок, р-структура -> клубок и т. п. Такого рода рассмотрение постепенно утрачивает свое значение, ибо неупорядоченная структура, если она входит в состав биологически активного белка, должна описываться в точных терминах (углы Ч, 11. X координаты атомов). Однако не канонические формы труднее поддаются характеристике с помощью физико-химических методов, что, по-видимому, и обусловило появление не очень точного термина неупорядоченная структура . [c.103]

Денатурация — любые вызванные физическими и химическими воздействиями изменения, которые при сохранении первичной структуры белка сопровождаются большей или меньшей потерей его биологической активности и других индивидуальных свойств белка. При денатурации ослабляются гидрофобные взаимодействия, разрываются водородные связи, а в присутствии восстановителей и дисульфидные связи. Денатурация с разрывом невалентных связей обычно обратима. Путем образования новых невалентных связей, а также благодаря взаимодействию с денатурирующим веществом новая конформация стабилизируется. Возникающее метастабильное состояние при восстановлении физиологических условий может вернуться к нативной конформации ренатурация). Принципиально возможна ренатура-ция и при восстановительном расщеплении дисульфидных связей (рис. 3-8). [c.358]

Конформационные изменения и процессы взаимодействия макромолекул белков, а также характер структур, образующихся при таком взаимодействии, определяются двумя основными факторами 1) специфическими свойствами макромолекул, определяемыми линейной последовательностью аминокислотных остатков, типом спирализации и пространственной укладкой всех полипептидных цепей 2) условиями, которые могут вызвать тот или иной из разнообразных типов изменений взаимодействий, возможных при данной внутренней структуре макромолекул. Такие изменения приводят к образованию дисперсных пространственных структур либо в связи с денатурацией (яичный альбумин, казеин), либо в связи с процессом ренатурации — образованием коллагеноподобных спиралей (желатина). [c.131]

Имеется еще одно возражение против гипотезы о расплавленной глобуле, использующейся вместе с аппаратом равновесной термодинамики и формальной кинетики для объяснения экспериментальных фактов. Конкретной теоретической основой интерпретации данных о денатурации служит термодинамическая теория двух состояний Брандтса [12, 13]. Как уже отмечалось, белковая молекула в растворе, согласно этой теории, может быть представлена большим количеством микросостояний. Все они входят в состав либо распределения N (нативное макросостояние белка), либо О (денатурированное макросостояние). Теория Брандтса сделала возможным относительно простой термодинамический анализ конформа-ционного перехода N — О в предположении, что реализующиеся микросостояния не являются чем-то вновь созданным, а присутствуют в распределении N и О. Это означает, что в теории постулируется отнюдь не очевидное положение об отсутствии новых промежуточных конформационных состояний в области перехода N - О. Следовательно, главный критерий справедливости теории двух состояний Брандтса состоит в требовании отсутствия максимумов, минимумов и потенциальных ям в наблюдаемых изменениях энтальпии и энтропии при переходе от О к N (и наоборот). Иными словами, если образование трехмерной структуры белка происходит, как того требует теория двух состояний, путем постоянного усложнения и приближения к нативному состоянию, то изменения энтальпии, энтропии и свободной энергии по ходу ренатурации должны быть монотонными. Отсутствие экстремумов означает отсутствие между нативной структурой и статистическим клубком метастабильных промежуточных состояний. Механизм сборки белка проходит в этом случае в одну стадию. А теперь обратимся вновь к обсуждаемой гипотезе о расплавленной глобуле в которой постулируется образование на пути к нативной структуре близкое к ней промежуточное состояние. При существовании достаточно устойчивых обнаруживаемых экспериментально интермедиатов зависимости изменений энтальпии, энтропии и свободной [c.85]

Важнейшим достижением в изучении механизмов структурной организации белков явились экспериментальные исследования Крейтона 1970-1980-х годов, особенно его работы, посвященные эмпирическому подходу к изучению промежуточных состояний обратимой денатурации цистинсо-держащих белков [29, 30]. Разработанные Крейтоном методы позволяют Идентифицировать дисульфидные связи, регулировать скорость их образования и разрушения и по последовательности возникающих промежуточных MOHO-, ди- и т.д. S-S-продуктов следить за ходом свертывания белковой цепи. Предпринятое им на этой основе исследование пути свертывания панкреатического трипсинового ингибитора [29] опережает и сейчас, по прошествии двух десятилетий, научный уровень аналогичных работ по ренатурации других белков. Подход Крейтона, однако, неприемлем для белков, лишенных S-S-мостиков. [c.86]

Разработанный Ферштом эмпирический подход к изучению термодинамических и кинетических аспектов свертывания белковой цепи с привлечением сайт-направленного мутагенеза позволил автору и сотрудникам проанализировать все этапы формирования трехмерной структуры белка (барназы), не содержащего дисульфидных связей [31-33]. Изучение обратимой денатурации начинается с тщательного визуального анализа трехмерной структуры белка с целью выявления остатков, которые предположительно могут играть важную роль в структурной стабилизации и кинетике свертывания. Следующий этап заключается в модификации потенциально важных для сборки межостаточных взаимодействий путем специальных химических изменений белковых цепей актуальных остатков и сайт-направленного мутагенеза. Завершается этап составлением оптимального набора и его синтеза методами генной инженерии. Далее проводятся термодинамические и кинетические экспериментальные исследования механизма ренатурации (денатурации) нативного белка и мутантов, определения констант равновесия, констант скорости и величин изменений свободной энергии Гиббса стабильных структур, промежуточных и переходных состояний. Найденные значения используются для построения энергетических профилей путей свертывания белковых цепей дикого и мутантного типов. На их основе определяются разностные энергетические диаграммы, которые показывают различия в уровнях энергии всех состояний на пути свертывания белка и мутантов. Реализация описанной процедуры приводит к эмпирическим зависимостям между важными для свертывания белковой цепи взаимодействиями боковых цепей и параметрами, по мысли Фершта, характеризующими кинетику, равновесное состояние и механизм ренатурации [И]. Каждая мутация, которая в [c.87]

В процессах денатурации и ренатурации аминокислотной последовательности проявляется прямая связь между химическим и пространственным строением молекулы белка. Переход беспорядочно флуктуирующей белковой цепи в детерминированную трехмерную структуру и обратный процесс - переход нативной конформации белка в состояние статистического клубка есть не что иное, как формирование и разрушение тех самых внутриостаточных и межостаточных взаимодействий валентно-йесвязанных атомов, теоретическому рассмотрению и априорному расчету которых были посвящены предшествующие главы книги. Очевидно, изучение механизмов денатурации и ренатурации представляется совершенно необходимым для познания принципов структурной организации белковых макромолекул. С другой стороны, любая теоретическая разработка проблемы пространственного строения белков не может считаться завершенной без описания и аргументированной трактовки особенностей уникального процесса свертывания аминокислотной последовательности в высокоорганизованную структуру. [c.471]

Эти и другие данные свидетельствуют о комплементарности, о структурном соответствии активного участка АТ и детермн-нантиой (или гаптеновой) группы АГ. Изучение взаимодействия АТ к поли- ,-аланину с олигопептидами аланина позволило оценить размеры активного участка АТ 2,5 X 1,1 X 0,2 нм Антитела — глобулярные белки. При денатурации АТ их способность к специфическому связыванию АГ или Г исчезает. В некоторых случаях удается осуществить ренатурацию антител с восстановлением их активности. Присутствие гаптена способствует рена-турации. [c.126]

Естественно, что полной обратимости денатурации следует ожидать для белков, не содержащих групп, вступающих в денатурированном состоянии в необратимые реакции (например, окисление 5 — Н-групп) [101]). Так, доказана обратимость денатурации рибонуклеазы [135], такаамилазы А [136] и а-амилазы [136]. В работах Анфинсена и др. [137—140] показано, что можно добиться ренатурации белков и с разорванными дисульфидными связями. Из этих данных следует, что денатурацию действительно можно трактовать как термодинамический конформационный переход и что нативная структура белка отвечает если не глобальному, то относительному минимуму свободной энергии. [c.249]

Однако при определенных условиях полипептиды могут образовывать определенные пространственные (трехмерные) структуры. Эти структуры образуются вследствие внутримолекулярного взаимодействия друг с другом и с растворителем различных групп мономерных звеньев полимерной молекулы. Например, в 1951 г. Лайнус Полинг и Роберт Кори теоретически предсказали, что полипептиды могут образовывать спиральную структуру вследствие наличия водородных связей между карбонильным атомом кислорода г-го фрагмента и амидным атомом водорода (г + 4) го фрагмента, что в дальнейшем нашло подтверждение на большом экспериментальном материале. Каждый белок с определенной нерегулярной последовательностью аминокислот может образовать уникальную пространственную структуру. Следует отметить, что любая тонкая биологическая функция, выполняемая белком, реализуется только при наличии такой структуры. Любое ее нарушение нагреванием или изменением pH среды (денатурация), не сопровождающееся расщеплением ковалентных связей, приводит к полной потере функциональной активности белка. Лишь небольшие белки могут легко претерпеть обратное превращение в исходное состояние. Обратное превращение денатурированного высокомолекулярного белка в исходную биологически активную структуру (ренатураци.ч) возможно, только если использовать специальную процедуру, т.е. в том случае, если ни мономерные компоненты, ни полимерные цепи не были повреждены в процессе денатурации. [c.15]

Проведенные исследования позволили предложить механизм образования пространственных структур в водных растворах белков. Гелеобразование всегда связано с конформационными изменениями макромолекул, сопровождающимися уменьшением растворимости белка, либо в связи с процессом ренатурации — образованием коллагеноподобных спиралей (желатина), либо в связи с денатурацией (яичный альбумин, казеин). В результате большого числа межмолекулярных связей из пересыщенных растворов возникают агрегаты макромолекул, т. е. частицы новой лиофильной фазы. Их накопление вызывает в дальнейшем возникновение прочных дисперсных структур. Сращивание частиц новой полимерной фазы с образованием контактов (водородных и гидрофобных связей) между ними и приводит к появлению объемной структуры геля, характеризующейся твердообразными механическими свойствами. [c.356]

Прочно укоренилось представление о том, что цистеинсодержащие белки являются наиболее удобными объектами исследования денатурации. Действительно, для белков с дисульфидными связями разработан комплексный экспериментальный подход к изучению структурной самоорганизации полипептидной цепи. Он включает методы, позволяющие прекращать практически мгновенно процесс ренатурации белка в любой момент времени и фиксировать образовавшиеся к этому моменту дисульфидные связи и тиоловые группы, выделять в чистом виде промежуточные продукты на любой стадии ренатурации и определять в каждом продукте число S-S-связей и места их локализации в цепи. [c.380]

Структурообразование в мвжфазном слое связано с конформацион-ннми изменениями макромолекул при адсорбции, сопровождающимися уменвиением растворимости белка в связи с денатурацией (сывороточный альбумин, лизоцим), либо в связи с процессом ренатурации - образованием коллагеноподобных спиралей (желатина). В результате больного числа межмолекулярных связей на межфазной границе возникают агрегаты макромолекул, т.е. частицы новой лиофильной фазы. Накопление и сращивание частиц новой лиофильной фазы с образованием контактов (водородные или гидрофобные связи) мехду вини и приводит к появлению двухмерной структуры геля, характеризующейся твердообразными механическими свойствами. [c.201]

Денатурация белков — это разрушение третичной и частично вторичной структур путем разрыва дисульфидных и слабых нековалентных взаимодействий (водородных, ионных, гидрофобных), сопровождающееся потерей функции белка. Иными словами, денатурация — это потеря нативной структуры. При денатурации не разрываются пептидные связи, т.е. первичная структура сохраняется. Денатурацию белков вызывают любые агенты, действующие на нековалентные взаимодействия. При этом белок выпадает в осадок, если теряются основные факторы устойчивости — заряд и гидратная оболочка. Если после удаления денатурирующего агента восстанавливается нативная структура белковой молекулы, то это явление называется ренатурацией (ренативацией). В пищеварительном тракте денатурация пищевых белков соляной кислотой приводит к доступности пептидных связей для ферментативного гидролиза первичной структуры (пепсин в желудке трипсин, химотрипсин, карбоксипеп-тидазы в двенадцатиперстной кишке дипептидазы, трипептидазы и аминопептидазы в тонком кишечнике). [c.37]

Кинетические аспекты. Трудно представить, что белки могут принимать нативную физиологически активную конформацию, сворачиваясь случайным образом по принципу "проб и ошибок". Даже в условиях in vitro самопроизвольная сборка трехмерной структуры белка, не содержащего дисульфидных мостиков, происходит настолько быстро, что дает основание допустить во много раз большую скорость этого же процесса в условиях in vivo по сравнению со скоростью рибосомального матричного синтеза аминокислотной последовательности. Создание за считанные секунды из развернутой полипептидной цепи трехмерной структуры макромолекулы возможно только при высокой степени кооперативности процесса. Естественно было ожидать, что кинетика этого процесса будет соответствовать такому механизму ренатурации белка, при котором происходящие на каждом участке последовательности события увеличивают вероятность и, следовательно, скорость последующей укладки всех отдельных участков цепи в направлении правильной нативной конформации. Данному условию удовлетворяет самый простой механизм самоорганизации белков, включающий единственный переход между двумя состояниями (N D). Согласно теории этого процесса, которая только что была рассмотрена, никакие другие состояния белковой цепи, кроме N и D, не присутствуют в экспериментально обнаруживаемых количествах в течение всего времени прямой (N -> D) и обратной (N D) реакций. Если развертывание и свертывание белковой цепи действительно следуют двухстадийному процессу, то изучение кинетики и выяснение деталей конкретного механизма денатурации и ренатурации сталкивается с особенно серьезными трудностями. Они вызваны большими скоростями реакции и малыми концентрациями промежуточных состояний, а это требует быстрореагирующей и высокочувствительной экспериментальной техники. Наиболее часто используются спектральные методы (ЯМР, КД, УФ), ферментативный гидролиз, иммунологические методы. Для быстрой остановки процесса применяются методы стоп-флоу. [c.352]

После обнаружения целой гаммы промежуточных состояний на пути от полностью денатурированного белка к нативному Крейтон детально изучил кинетику изменений и взаимопревращений этих состояний в ходе свертывания и развертывания белковой цепи. Далее он выяснил оптимальные условия моментальной остановки процесса ренатурации БПТИ и гашения тиол-дисульфидной реакции обмена, а затем разработал способы фиксации и выделения промежуточных состояний, определения у них количества дисульфидных связей и мест их локализации в аминокислотной последовательности БПТИ. Таким образом, последующее изучение денатурации белка, а именно получение количественных данных о кинетике и термодинамике всех этапов процесса и доказательное описание механизма самоорганизации пространственной структуры белка in vitro, имеет серьезную основу, созданную Крейтоном в результате огромной целенаправленной подготовительной работы. [c.367]

На основе экспериментального подхода, объединяющего отмеченные выше и некоторые другие методы, можно проводить изучение денатурации по строго логической и апробированной схеме. Она прежде всего включает получение информации о наличии дисульфидной связи в любом промежугочном продукте, что свидетельствует о сближенности соответствующих участков его полипептидной цепи. Такие данные о серии продуктов, например о моно-8-8-производных, образовавщихся на первом этапе ренатурации, создают о каждом из них специфическое стереохимическое представление. Сопоставление таких (а именно детерминированных числом и положением дисульфидных связей) представлений о всей гамме метастабильных промежуточных продуктов на пути ренатурации от флуктуирующего клубка до нативной трехмерной структуры позволяет выделить ряд связанных между собой продуктивных промежуточных состояний внутримолекулярных конвертируемых реорганизаций, ведущих этот ряд к нативной конформации. Дисульфидная связь как бы делает видимым весь процесс сборки белковой глобулы. В наиболее полной мере имеющиеся возможности реализованы пока лишь для одного белка - бычьего панкреатического трипсинового ингибитора. [c.381]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология