معلومة

كيف يعمل تمسخ البروتين؟

كيف يعمل تمسخ البروتين؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كنت أتساءل كيف يعمل تمسخ البروتين.

  1. هل هناك روابط تساهمية ، مثل جسور ثاني كبريتيد متضمنة ، أم أنها تعتمد فقط على روابط غير تساهمية مثل الروابط الهيدروجينية؟ لماذا لا يمكن عكس التمسخ في معظم الحالات إذا كانت هناك روابط غير تساهمية فقط؟
  2. هل من الممكن أن تفسد طبيعة البروتين بالتغيرات السريعة في المجال الكهرومغناطيسي أو الضغط؟ (المقالات التي قرأتها حتى الآن تذكر فقط عوامل الإجهاد مثل الأس الهيدروجيني المفاجئ ، الأسمولية ، التغيرات في درجة الحرارة ...)
  3. كيف يمكنني حماية البروتين من التمسخ؟ على سبيل المثال في تفاعل البوليميراز المتسلسل ، نستخدم بوليميراز DNA المقاوم للحرارة ، لذلك قد تحمي بعض تسلسلات الأحماض الأمينية من تمسخ الحرارة ، لكنني بحاجة إلى طمأنة حول هذا الأمر.

حقا السؤال كيف يعمل طي البروتين؟ لكن دعني أجيب على أسئلتك ...

1) عدد قليل جدًا من البروتينات لها روابط ثاني كبريتيد (عادةً بروتينات تفرز) أو في الحقيقة أي رابطة تساهمية تعمل على استقرار سلسلة الأحماض الأمينية وراء الروابط التي تشكل عديد الببتيد نفسه. يمكن عكس التشبع فقط في حالات قليلة نسبيًا في الواقع. يمكن إعادة عدد قليل من البروتينات ، عادة ما تكون صغيرة جدًا ، إلى حالة مطوية أصلية من حالة غير مطوية ، وبعد ذلك فقط نسبة مئوية من العينة ستعيد الحالة المطوية.

2) بالتأكيد. في الواقع ، يغير الضغط هيكل الماء المرتبط بالهيدروجين وبالتالي الديناميكا الحرارية لهيكل البروتين وقد تم استخدامه لدراسة طي البروتين. بشكل عام ، لا يؤثر المجال الكهرومغناطيسي على حالة طية البروتين. أستشهد بحقيقة أن العديد من البروتينات قد تمت دراستها عبر الرنين المغناطيسي النووي ، حيث تم إدخال البروتينات في بعض أقوى المغناطيسات التي يمكن أن تتناسب مع غرفة ذات حجم معقول. هذا لا يعني أن البروتين وظيفة قد لا تتأثر بمثل هذا المجال. أنا متأكد أنه بحلول الوقت الذي يصبح فيه الحقل كبيرًا بما يكفي لتأيين الماء أو تغير الببتيد ، سترى شيئًا ما ... لذلك يمكنك دائمًا دفع الأشياء أيضًا إلى نقطة الانهيار.

3) العديد من البروتينات من الكائنات المحبة للحرارة أكثر مقاومة للتمسخ ، وتقوم الشركات في الواقع بتصميم البروتينات لتكون مقاومة لجميع أنواع الظروف الفاحشة ولا تزال مطوية وعملية. منظف ​​الغسيل مليء بالأنزيمات المتبلورة التي ستبقى في المنظفات لفترة طويلة. لا أعرف حتى ما إذا كانت هذه المنتجات لها مدة صلاحية.

البروتينات بشكل عام عرضة للتمسخ لسبب وجيه - تحللها الخلية عندما لا تحتاج إلى وظيفتها ويمكن إعادة تدويرها للأحماض الأمينية المكونة لها. لو كانوا كل هذه القوة ، لكانت الخلية ستموت جوعا بسرعة. إذا كان هناك دور بيولوجي للبروتين الذي تم تغيير طبيعته ثم يعيد طوي نفسه فهو فقط في حالات نادرة للغاية. معظم البروتينات لا تتفكك بمجرد طيها ، وإذا حدث ذلك ، فإنها تكون قد اكتملت.

بعض الاستثناءات المحتملة: بعض ببتيدات المضادات الحيوية التي تنثني في المسام التي تقتل أهدافها ولوحة الأميلويد التي تأخذ طية مختلفة عندما تكون في الدماغ والتي ترتبط - ولكنها قد لا تسبب - مرض الزهايمر.


هل تأخذ في في المختبر سياق لمنع تمسخ البروتين بعد عزل البروتين من على سبيل المثال بكتريا قولونية أم أنك قلق أكثر بشأن البروتينات في سياق الخلية بأكملها؟

أنا لست خبيرًا في دراسات طي البروتين / التشكل ، ولكن من منظور المختبر إذا كنت ترغب في تحقيق التمسخ للأغراض التجريبية ، فإنك تعالج عيناتك باستخدام SDS والحرارة العالية (حوالي 100 درجة مئوية لمدة 10 دقائق) للتخلص من روابط H و للتخلص من روابط ثنائي الكبريتيد ، فإنك تستخدم عامل اختزال مثل beta-ME أو DTT ، والذي يوجد عادة في جزيئات مثل AB أو مستقبلات سطح الخلية مثل EGFR لذلك من الواضح لتجارب اللطخة الغربية التي تحتاج إلى جسور ثاني كبريتيد لا تستخدم عوامل الاختزال ولكنك لا تزال تسخن عيناتك وتعالج بـ SDS للتخلص من الروابط الهيدروجينية وخطي البروتين الخاص بك.

بناءً على هذه الدراسة ، التي استخدمت BSA و β-lactoglobulin ، فإن التمسخ الناتج عن الضغط المرتفع يشبه ذلك الناتج عن انقسام روابط الهيدروجين مع اليوريا أو هيدروكلوريد الجوانيدين ، لذا ، نعم ، يمكن أن يكون للتغيرات السريعة في الظروف البيئية تأثيرات تغيير طبيعة مماثلة للمواد الكيميائية وكلاء مقرها.

إذا كنت تحاول منع تمسخ البروتين في خلية كاملة ، فأنت بحاجة إلى معالجتها بوسائط حفظ بالتبريد تحتوي عادةً على 10٪ DMSO مثل هذا. إذا كنت تعمل فقط بالبروتينات وحدها ، فإن أفضل طريقة هي العمل مع عيناتك المحضرة حديثًا (lysed ، إلخ) وعند عزل البروتينات لاستخدامها في المستقبل ، قم بتجميدها في النيتروجين السائل وتخزينها في -80 درجة مئوية. إذا كانت البروتينات الخاصة بك متصلة بحبيبات مثل البروتينات الموسومة بعلامة GST ، فقم بتخزين حباتك في مخزن مؤقت يتجمع فيه الجلسرين ويوضع عند -20 درجة مئوية. أستخدم 50٪ جلسرين (ت / ت) وهو يعمل جيدًا بالنسبة لي! إذا كان هذا الرد لا يجيب على سؤالك أو استفسارك ، فيرجى تعديل ما يقلقك بالضبط في مجال عملك وسأقوم بتعديل إجابتي وفقًا لذلك. أتمنى أن يكون هذا قد ساعد بطريقة ما!


لقد بحثت في الموضوع أيضًا ، فإليك إجابتي.

لفهم الاستقرار الحراري الديناميكي للجلوبيولين المحلول بالماء أو البروتينات الغشائية (كلها بروتينات فيما بعد) علينا أن نفهم عملية طي البروتين. البروتينات لها بنية ثلاثية الأبعاد (تتكون من هياكلها الأولية والثانوية والثالثية). تتغير بنية البروتينات باستمرار بين الحالات المطوية وغير المطوية. تحتوي الحالة المطوية على طاقة حرة أقل بينما تكون الحالة غير المطوية أعلى. يوجد بينهما حاجز طاقة حر يحدد سرعة الطي عند درجة حرارة معينة.

يمكن أن يؤثر التغيير الهيكلي على العوامل البيئية على هذه الطاقات الحرة ويمكن أن يحول التوازن إلى الحالة غير المطوية. يمكن أن يعاني البروتين غير المطوي من تغيرات لا رجعة فيها (التجميع ، تبادل الكبريتيد ، التحلل البروتيني ، تفكك الوحدة الفرعية غير القابل للعكس ، التحلل الكيميائي ، إلخ ...) ، لذلك يمكن أن يكون تمسخ البروتين قابلاً للعكس أو لا رجوع فيه.

لاحظ أن هذه نظرة تبسيطية للغاية ، أعتقد أن هناك درجات مختلفة من الانكشاف ، وهكذا يمكن أن تحدث أشياء مختلفة عندما يكون البروتين في أحد هذه الأشياء. على سبيل المثال من خلال درجة منخفضة من عدم الانطواء يمكن أن يحدث مما ينتج عنه حالة مطوية مستقرة ، ولكن غير نشطة بدون تجلط (يمكن أن يكون هذا أكثر أو أقل قابلية للعكس). يمكن أن يحدث التخثر بدرجة أعلى من التكشف.

يعتمد الطي في الغالب على قاعدة واحدة بسيطة: يجب أن تكون جميع الروابط الهيدروجينية راضية ، لأن الرابطة الهيدروجينية غير الراضية لها تكلفة طاقة عالية جدًا. البروتينات لها أسطح قطبية ، والتي تشكل روابط هيدروجينية مع الماء ، ومركز واحد أو أكثر من القطبين ، الذي له روابط هيدروجينية داخلية كأعمدة أساسية. إن دفن الأحماض الأمينية القطبية غير المزدوجة (على سبيل المثال ، الرابطة الهيدروجينية غير المرضية) يزعزع الاستقرار بشدة ولذا فهو غير موجود في البروتينات العاملة الطبيعية. عوامل أخرى ، مثل جسور الملح ، والتفاعلات العطرية العطرية ، وروابط ثاني كبريتيد ، إلخ ... يمكن أن تؤثر على الاستقرار أيضًا ، لكن الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء هي العوامل الرئيسية. من المرجح أن تعتمد أوزان هذين العاملين الرئيسيين على البروتين (اقترحت دراسة 75٪ و 25٪ ، بينما 40٪ و 60٪ أخرى).

عادة ما تكون روابط الهيدروجين الأساسية أكثر استقرارًا حول درجة حرارة الغرفة ، لذا فإن أقل طاقة حرة وأقصى قدر من الثبات هو حوالي 20 درجة مئوية بواسطة معظم البروتينات ، كما أن كلا من التسخين والتبريد يقللان من الاستقرار ويمكن أن يؤدي إلى تمسخ. يمكن أن تتسبب درجات الحرارة المرتفعة (> 80 درجة مئوية) في تدهور تساهمية ، وبالتالي تمسخ لا رجعة فيه. الضغط له تأثير مماثل على روابط الهيدروجين والاستقرار مثل التمسخ البارد.

تساهم المذيبات الأسمولية مثل اليوريا أو TMAO بشكل مختلف في الطاقة الحرة للحالات المطوية وغير المطوية وبالتالي تحول التوازن بينهما. على سبيل المثال ، يمكن أن تسبب اليوريا تمسخًا ، بينما يحمي TMAO البروتين من التمسخ. أعتقد أنه من الواضح أن تغيير الأس الهيدروجيني والملوحة له تأثير قوي على شحنات سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية ، وبالتالي روابط الهيدروجين والاستقرار.

يمكن أن يتسبب كل من الموجات فوق الصوتية والمجال الكهربائي النبضي (PEF) في حدوث تمسخ. يبدو أن التأثير يعتمد بشدة على معايير الموجات فوق الصوتية / PEF ونوع البروتين. من المثير للاهتمام أن PEF يمكن أن يزيد من نشاط الإنزيم أيضًا. من الصعب العثور على دراسات حول آليات التمسخ بهذه الطرق.

إذا أردنا زيادة استقرار البروتين ، فإن الطريقة التي نختارها يمكن أن تعتمد على ما نريد حماية البروتين منه. يمكن أن تساعد طريقة أو أكثر من القائمة التالية في زيادة الاستقرار:

  • زيادة الاكتناز والتعبئة الأفضل (تقليل نسبة السطح / الحجم)
  • زيادة التفاعلات الكهروستاتيكية (تكوين أزواج أيونية إضافية ، على سبيل المثال المزيد من حمض الجلوتاميك)
  • روابط هيدروجينية إضافية
  • جسور ثاني كبريتيد إضافية
  • زيادة التفاعلات الكارهة للماء (نسبة أكبر من المخلفات الكارهة للماء المدفونة)
  • تغيير البيئة المكروية للبروتين (استخدام الأسمولات ، وتغيير درجة الحموضة ، والملوحة)
  • جليكوسيلات سطح البروتين
  • تقليل طول السلسلة
  • تغيير الأحماض الأمينية السطحية (يمكن أن يكون التأثير غير متوقع تمامًا ، ولكن هناك أنماط بقايا سطحية لها تأثير معروف على الاستقرار ؛ إضافة المزيد من الأحماض الأمينية المتأينة إلى السطح ؛ دفن المخلفات الكارهة للماء ؛ إلخ ...)
  • يمكن أن يغير تثبيت البروتين الاستقرار أيضًا

مراجع:

الثبات الديناميكي الحراري للبروتين الذي يتكشف ويعيد الطي بسرعة وبصورة عكسية وتعاونية وبآلية بسيطة ثنائية الحالة. البروتينات الأسهل لدراسة الطي والثبات هي تلك التي تظهر هذا النوع من الانعكاس السريع. يتم تبسيط كل من التصميم التجريبي والمعالجة النظرية للبيانات من خلال أنظمة قابلة للعكس. وبالتالي ، فليس من المستغرب أن تناقش معظم التقارير الأدبية حول الاستقرار هذا النوع من النظام القابل للعكس. استقرار البروتين هو ببساطة الاختلاف في طاقة جيبس ​​الحرة ، dG ، بين الحالة المطوية والحالة غير المطوية. العوامل الوحيدة التي تؤثر على الاستقرار هي الطاقات الحرة النسبية للحالات المطوية (Gf) والحالات غير المطوية (Gu). كلما كان Gu الأكبر والأكثر إيجابية ، كلما كان البروتين أكثر استقرارًا هو التمسخ.

إذا تم الكشف عن البروتين بشكل عكسي ، فقد يكون مكشوفًا تمامًا وغير نشط في درجات حرارة عالية ، ولكن بمجرد أن يبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، فإنه سيعيد نشاطه ويستعيد نشاطه بالكامل. في حالة البروتينات غير القابلة للعكس أو التي تتكشف ببطء ، فإن الاستقرار الحركي أو معدل الانفتاح هو المهم. إن البروتين المستقر حركيًا سينكشف ببطء أكثر من البروتين غير المستقر حركيًا. في البروتين المستقر حركيًا ، يلزم وجود حاجز طاقة حر كبير للتكشف والعوامل التي تؤثر على الاستقرار هي الطاقات الحرة النسبية للثني (Gf) وحالة الانتقال (Gts) للخطوة الأولى الملتزمة على مسار الانكشاف. يتم تمثيل الفقد غير القابل للانعكاس للبنية المطوية للبروتين من خلال: F <-> U -> I ، حيث أنا غير نشط بسبب التجميع ، وتبادل الكبريتيد ، والتحلل البروتيني ، وتفكك الوحدة الفرعية الذي لا رجعة فيه ، والتحلل الكيميائي ، إلخ ...

  • 1996 - مصدر الاستقرار في البروتينات
  • 2009 - تؤثر تفاعلات الشحنة - الشحنة في الحالة المشوهة على حركية الطي للريبونوكلياز Sa
  • 2006 - لماذا يتم تحصيل رسوم البروتينات؟ شبكات تفاعلات الشحنات في البروتينات التي يتم قياسها بواسطة سلالم الشحن والرحلان الكهربي الشعري

تدعم الأدلة المستمدة من البروتينات والببتيدات الاستنتاج القائل بأن روابط الهيدروجين داخل الببتيد تثبت الشكل المطوي للبروتينات. من المفارقات ، أن الأدلة من الجزيئات الصغيرة تدعم الاستنتاج المعاكس ، وهو أن روابط الهيدروجين داخل الببتيد أقل ملاءمة من روابط الهيدروجين الببتيدية. هناك قضية ذات صلة - غالبًا ما تُفقد في هذا النقاش حول مقارنة الببتيد - الببتيد مع الببتيد - روابط هيدروجين الماء - تتضمن التكلفة النشطة لرابطة هيدروجينية غير مرضية. هنا ، تتفق التجربة والنظرية على أن كسر رابطة الهيدروجين يكلف ما بين 5 و 6 كيلو كالوري / مول. وفقًا لذلك ، فإن احتمال العثور على رابطة هيدروجينية غير مرضية في البروتين ضئيل. يؤسس هذا الإدراك قاعدة قوية لتقييم مطابقة البروتين.

في وصفهم للحلزون ألفا ، Pauling et al. (1951) أكد أن طاقة الببتيد NH • • • O = C رابطة الهيدروجين كانت بترتيب -8 kcal / mol ، وأن "عدم الاستقرار هذا سينتج عن الفشل في تكوين هذه الروابط التي قد نكون واثقين من وجودها . " كان تقدير بولينج السابق لإجمالي طاقة رابطة الهيدروجين بالبروتين -5 كيلو كالوري / مول (Mirsky and Pauling 1936). من دراسات المحلول لثنائيات اليوريا ، قدر شيلمان أن رابطة الهيدروجين داخل الببتيد ستكون مفضلة بشكل حراري على رابطة هيدروجين الببتيد والماء بمقدار 1.5 كيلو كالوري / مول (شيلمان 1955). أدت هذه الدراسات المبكرة المماثلة إلى استنتاج مفاده أن رابطة الهيدروجين الببتيدية هي عامل مهم في تثبيت مطابقة البروتين.

كان من المقرر أن يتغير هذا الرأي بشكل كبير بعد مراجعة شهيرة قام بها Kauzmann (1959) ، الذي استدعى الديناميكا الحرارية لمركبات النماذج الصغيرة ليقول إن استقرار الحالة المطوية للبروتين يرجع بشكل حصري تقريبًا إلى التأثير الكارثي للماء. بعد فترة وجيزة من اقتراح Kauzmann ، قرر كلوتز وفرانزين (1962) أن المحتوى الحراري لرابطة الهيدروجين البينيراميد لـ N-methyl acetamide في الماء كان صفرًا ، وخلصا إلى أن "الاستقرار الجوهري للروابط الهيدروجينية interpeptide في محلول مائي صغير." وبالمثل ، فإن ارتباط الهيدروجين الذي يشتمل على جزيء صغير آخر ، إبسيلون-كابرولاكتام ، في محلول مخفف ، تبين أنه مهمل (Susi and Ard 1969). أدى اقتراح Kauzmann ، المدعوم بهذه الدراسات اللاحقة ، إلى الرأي السائد على نطاق واسع بأن التأثير الكارثي للماء يجعل المساهمة النشطة الرئيسية في استقرار البروتين ، مع مساهمة الروابط الهيدروجينية بشكل ضئيل ، أو ربما تعارض ، عملية الطي. انظر Baldwin (2003) لمناقشة حديثة لهذه القضايا.

روابط الهيدروجين البروتينية موجودة في كل مكان ، اتجاهية ، ومحلية إلى حد كبير ، تقسم سلسلة البولي ببتيد إلى ألفا و 3_10 حلزونات ، صفائح بيتا ، وتحولات بيتا. تمثل هذه الهياكل الأساسية المرتبطة بالهيدروجين معًا 75 ٪ على الأقل من التشكل ، في المتوسط ​​، مع مشاركة المخلفات المتبقية في كل من الترابط الهيدروجيني الجزيئي الإضافي والرابط الهيدروجيني بالماء. المجموعات القطبية غير الراضية هي مكلفة من حيث الطاقة ، لدرجة أنها لا تحدث أبدًا.

تؤدي قياسات القوة بين الأسطح الوظيفية باستخدام الدهون التي تحتوي على مجموعات رأس رابطة هيدروجينية (الدهون NTA و A و T و MeT) إلى قيمة قابلة للتكرار من طاقة رابطة هيدروجينية واحدة في الماء النقي: ~ 0.5 كيلو كالوري / مول. إنه يوضح أنه من الأفضل من الناحية النشطة للمجموعات الرئيسية أن تصنع روابط هيدروجينية مع بعضها البعض بدلاً من تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء. يتماشى هذا مع الدراسات السابقة التي أجريت على استقرار البروتينات ، والتي أظهرت أن روابط الهيدروجين داخل الجزيئية في البروتين المطوي أكثر ملاءمة من حيث الطاقة من الروابط مع جزيئات الماء في بروتين غير مطوي بمتوسط ​​استقرار يبلغ 1 كيلو كالوري / مول لكل رابطة هيدروجين داخل الجزيئية.

  • 1996 - القوى المساهمة في الاستقرار التوافقي للبروتينات.
  • 2005 - هل جميع المجموعات القطبية الأساسية في البروتينات تشكل روابط هيدروجينية؟
  • 2011 - انهيار يحركه العمود الفقري في سلاسل البروتين غير المطوية
  • 2006 - انهيار كاره للماء في طي البروتين (في السيليكو)
  • 2002 - العواقب الديناميكية الحرارية لدفن بقايا الأحماض الأمينية القطبية وغير القطبية في داخل البروتين
  • 2003 - الديناميكا الحرارية للتنشيط الحراري لقنوات الكابسيسين الأحادية الأيونية VR1
  • 2003 - نطاق درجة حرارة الاستقرار الديناميكي الحراري للحالة الأصلية للبروتينات ثنائية الحالة القابلة للانعكاس
  • 2009 - التمسخ البارد للبروتين كما تراه من المذيب
  • 2010 - بناء Peptoids مع جميع العمود الفقري Trans-Amide و Peptoid Reverse يتحول عبر الدمج التكتيكي لسلاسل N-Aryl الجانبية القادرة على الترابط الهيدروجيني
  • 2002 - طاقة روابط الهيدروجين التي تم فحصها عن طريق التصاق طبقات الدهون الوظيفية
  • 2012 - كيف ومتى ولماذا تنهار البروتينات: العلاقة بالطي
  • 2011 - انعكاس التوازن بين تفاعلات الترابط الهيدروفوبي والهيدروجين في طي البروتين وتجميعه
  • 2011 - طي البروتين الغشائي: ما مدى أهمية الروابط الهيدروجينية؟

من المحتمل أن يكون المحدد الرئيسي لميل التمسخ البارد هو انخفاض استقرار روابط الهيدروجين الأساسية في درجات حرارة منخفضة ، والتي تتأثر بدورها بطريقة التعبئة لمجموعة النواة الكارهة للماء

باستخدام خلية ضغط مطورة حديثًا ، قمنا الآن بتعيين التغييرات المعتمدة على الضغط ودرجة الحرارة لـ 31 رابطة هيدروجينية في يوبيكويتين عن طريق قياس HBCs بدقة عالية جدًا. الروابط الهيدروجينية قصيرة المدى مضطربة بشكل معتدل فقط ، لكن العديد من الروابط الهيدروجينية ذات الفواصل المتسلسلة الكبيرة (ترتيب التلامس العالي) تظهر تغييرات أكبر. في المقابل ، تظل الروابط الهيدروجينية الأخرى عالية التلامس غير متأثرة تقريبًا.

ندرس استقرار البروتينات الكروية كدالة لدرجة الحرارة والضغط من خلال محاكاة NPT لنموذج خشن الحبيبات. نحن نعيد إنتاج الثبات الإهليلجي للبروتينات ونسلط الضوء على آلية مجهرية موحدة للضغط والتشويه البارد. تتضمن الآلية إذابة البقايا غير القطبية بطبقة رقيقة من الماء. هذه الحالات المذابة لها حجم أقل وطاقة رابطة هيدروجينية أقل مقارنة بالمطابقات الأخرى من المواد المذابة غير القطبية. ومن ثم ، فإن هذه الحالات المذابة مواتية عند الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة ، وتسهل ظهور البروتين في ظل هذه الظروف الديناميكية الحرارية.

وجدنا أيضًا أن التغييرات في الماء الكارهة للماء مع انخفاض درجة الحرارة هي التي تدفع الانكشاف البارد وأن العملية الكلية مدفوعة بالمحتوى الحراري ، في حين أن تمسخ الحرارة يكون مدفوعًا بطريقة الانتروبيا.

نتيجة لاختراق أضعف عند الضغط ، وجد أن حالة الضغط المحوَّل للضغط قد تكشفت جزئيًا مقارنة بالحالة المحولة بالحرارة. ارتبطت آلية تمسخ الضغط بتعطيل شبكة المياه الرابطة الهيدروجينية على مجموعة من المجموعات التي تتميز بتفاعلات O - H المعززة ، مما يؤدي إلى تصلب ديناميكيات البروتين. الآلية معاكسة لتلك التي لوحظت عند التسخين ، أي تليين شبكة روابط الهيدروجين للمياه مما يؤدي إلى ديناميات بروتين أكثر ليونة.

يمكننا أن نستنتج أن القوة الدافعة الرئيسية لتمسخ البروتين عند الضغوط العالية هي انخفاض التأثير الكارهة للماء نتيجة للتغيرات في بنية الماء ، دون تناقض أي من النظريات الحالية حول التأثير الكارثي للماء.

من أجل تغيير طبيعة الضغط ، وجد أن إضعاف التفاعل الكارثي للماء بين السلاسل الجانبية الضخمة أمر حاسم في درجات الحرارة المنخفضة ، مما يؤدي إلى زعزعة استقرار هيكل العمود الفقري المطوي عند الضغوط المرتفعة.

  • 2013 - محاكاة الديناميكيات الجزيئية تشير إلى التمسخ البارد لدبابيس الشعر بيتا.
  • 2012 - التغييرات التي يسببها البرد في بروتين يوبيكويتين
  • 2008 - آلية مجهرية لتمسخ البرد
  • 2009 - مقاومة الماء في درجات الحرارة المنخفضة والتمسخ البارد للبروتين
  • 2012 تم تحديد عناصر التثبيت الرئيسية لهيكل البروتين من خلال اضطراب الضغط ودرجة الحرارة لشبكة الروابط الهيدروجينية
  • 2012 - الآلية المجهرية الموحدة للضغط والتشبع البارد للبروتينات
  • 2012 - دور الترطيب الكارهة للماء في استقرار البروتين: نموذج بروتيني ثلاثي الأبعاد صريح بالماء يعرض تشويه البرودة والحرارة
  • 2011 - الآليات الجزيئية للتجميع الحراري الشاذ للبروتين الفلوري الأخضر
  • 2011 - تحليل آلية تمسخ ضغط الليزوزيم من تحقيقات Raman Spectroscopy ، ومقارنة مع التمسخ الحراري
  • 2008 - التفكك الناتج عن البرودة والضغط لمجموعات البروتين وألياف الأميلويد
  • 2009 - سلوك التأثير الكارثي للماء تحت الضغط وتمسخ البروتين
  • 2004 - درجة الحرارة القابلة للانعكاس وتشويه الضغط لشظية البروتين: دراسة محاكاة ديناميكيات جزيئية متماثلة

لقد وجد أن الطاقة التي تشتمل على روابط الهيدروجين الأساسية تتحكم في هذه التحولات في استقرار البروتين بشكل كامل تقريبًا ، حيث تقوم المذيبات الأسمولية بالاتصال ببساطة بين روابط الهيدروجين ذات العمود الفقري مقابل الروابط الهيدروجينية الأساسية ، كدالة لجودة المذيبات.

  • 2008 - هيكل وطاقة العمود الفقري المرتبط بالهيدروجين في طي البروتين
  • 2008 - تزعزع اليوريا ، وليس الغوانيدينيوم ، استقرار البروتينات عن طريق تكوين روابط هيدروجينية لمجموعة الببتيد
  • 2011 - مساهمات العمود الفقري والسلسلة الجانبية في تغيير طبيعة البروتين بواسطة اليوريا
  • 2009 - حول آلية تمسخ البروتين الناجم عن SDS
  • 1995 - روابط الهيدروجين والاعتماد على الرقم الهيدروجيني لاستقرار المجال الثالث للمخاط البويضي
  • 2004 - آثار المذيبات التشاوتروبية والكوسموتروبية على التفتت الناجم عن الضغط وتمسخ البروتينات:؟ دراسة FT-IR على نوكلياز المكورات العنقودية
  • 2002 - هيكل ترطيب أيونات الجوانيدينيوم والثيوسيانات: الآثار المترتبة على استقرار البروتين في المحلول المائي

بشكل عام ، كان لعملية الصوتنة تأثير ضئيل على بنية البروتينات في محاليل WPC وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على الخصائص الوظيفية أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمنتجات الألبان القائمة على بروتين مصل اللبن.

تشير البيانات المقدمة هنا إلى أنه من بين بروتينات أنظمة الفبرينوجين ، يعد الفيبرينوجين أحد أكثر البروتينات حساسية لعمل الموجات فوق الصوتية. لقد ثبت في المختبر أن الموجات فوق الصوتية التي يسببها تكوين مجاميع الفيبرينوجين ، تتميز بفقدان القدرة على التخثر ومعدل أكبر لانحلال البلازمين مقارنة بالفيبرينوجين الأصلي في أنظمة نموذجية مختلفة وتحت نمط مختلف من العلاج بالموجات فوق الصوتية.

  • 2011 - تأثيرات الموجات فوق الصوتية على الخصائص الحرارية والهيكلية للبروتينات في مركز بروتين مصل اللبن المعاد تكوينه
  • 2011 - تأثيرات الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد على بعض خواص الفيبرينوجين وانحلال البلازمين الخاص به

تشير النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام البروتوكولات التجريبية المختلفة ، مع ذلك ، إلى أن التوازن المطابق لـ GrpE غير حساس للمجالات الكهرومغناطيسية في النطاق الذي تم اختباره للتردد وقوة المجال.

تمت دراسة تأثير معاملة المجالات الكهربائية النبضية (0-547 ميكروثانية و0-40 كيلو فولت / سم) على الخواص الفيزيائية والكيميائية لعزلات بروتين فول الصويا (SPI). زادت قابلية الذوبان ، والكبريتيدات الخالية من السطح (SHF) والكراهية للماء لتشتت SPI (20 مجم / مل) مع زيادة قوة PEF ووقت المعالجة عند عرض النبض الثابت 2 ميكروثانية ، وتردد النبض 500 نبضة في الثانية (pps) ومعدل تدفق العينة (1 مل / ثانية). عندما كانت قوة PEF ووقت المعالجة أعلى من 30 كيلو فولت / سم و 288 ميكرو ثانية ، انخفضت قابلية الذوبان وسطح SHF وكراهية الماء لـ SPI بسبب تمسخ وتجميع SPI عن طريق التفاعلات الكارهة للماء وروابط ثاني كبريتيد. أظهرت تحليلات كروماتوغرافيا استبعاد الحجم وتشتت ضوء الليزر كذلك أن التفكك الأقوى الناتج عن معالجة PEF وتمسخ وتجميع SPI. أظهر تحليل ازدواج اللون الدائري أن علاج PEF لم ينتج عنه تغييرات هيكلية ثانوية مهمة في SPI.

تم تصميم وتطوير نظام معالجة المجال الكهربائي النبضي المدمج ومنخفض التكلفة. تتكون الوحدة من مولد نبض عالي الجهد (30 كيلو فولت) وغرفة معالجة بها؟ سعة 148 مل. على مدى جهد الإعداد من 4-26 كيلو فولت ، تم تطبيق 30 نبضة (مع انعكاس الشحن الفوري) على ثمانية محاليل إنزيمية مختلفة باستخدام مسافة قطب كهربي 0.3 سم ، ومجال 13-87 كيلو فولت / سم ، وتردد نبضة 0.5 هرتز ، عرض النبضة 2-µs ودرجة حرارة المعالجة 20 درجة مئوية. بالنسبة لبعض الإنزيمات ، تم تقليل الأنشطة بعد معاملات النبض: أظهر الليباز ، وأكسيداز الجلوكوز ، والأميلاز المستقر للحرارة انخفاضًا كبيرًا بنسبة 70-85 ٪ ؛ أظهر بيروكسيديز وبوليفينول أوكسيديز انخفاضًا معتدلاً بنسبة 30-40 ٪ بينما أظهر الفوسفاتاز القلوي انخفاضًا طفيفًا بنسبة 5 ٪ في ظل الظروف المستخدمة. من ناحية أخرى ، تمت زيادة أنشطة إنزيم الليزوزيم والبيبسين تحت نطاق معين من الفولتية. لعب ملف النبض الكهربائي (عكس الشحن الفوري) دورًا مهمًا للغاية في تقليل أنشطة الإنزيمات المختلفة.

تمت دراسة تأثير المجال الكهربائي النبضي عالي الجهد (PEF) على أنشطة الإنزيم المحوَّل الطبيعي أو الحراري. عندما تم تطبيق PEF على العديد من الإنزيمات الأصلية ، لوحظ 105-120 ٪ من أنشطة الإنزيم الأولية بعد علاج PEF. اقترح أن تنشيط الإنزيم سيكون ممكنًا عن طريق علاج PEF. لقد حاولنا إعادة تشكيل إنزيم مشوه حراريًا باستخدام PEF. عندما تم تطبيق PEF على البيروكسيديز المشوه ، تم تسريع إعادة تشكيل الإنزيم في PEF ولوحظ 60 ٪ من النشاط الأولي بعد 12 كيلو فولت / سم و 30 ثانية من علاج PEF على الرغم من أن التجديد التلقائي لهذا الإنزيم أدى إلى 40 ٪ من النشاط الأولي. من ناحية أخرى ، عندما تم تطبيق PEF على نازعة هيدروجين اللاكتات المشوه حراريًا (LDH) ، لوحظ المزيد من التعطيل الناجم عن PEF. اقترح أن تأثير PEF يعتمد على نوع الإنزيم.

  • 2014 - تقييم في الوقت الحقيقي للتغيرات المحتملة التي يسببها المجال الكهرومغناطيسي في تكوين البروتين والاستقرار الحراري
  • 2007 - تأثير المجالات الكهربائية النبضية على الخصائص الفيزيائية والكيميائية لعزلات بروتين فول الصويا
  • 1997 - تأثير النبضات الكهربائية عالية المجال على نشاط إنزيمات مختارة
  • 2007 - تأثير المجال الكهربائي النبضي على أنشطة الإنزيم المختلفة

في الهالوفيل ، يتم الحفاظ على استقرار البروتين ووظيفته من خلال زيادة ارتباط الأيونات ومحتوى حمض الجلوتاميك ، وكلاهما يسمح لمخزون البروتين بالتنافس على الماء عند ارتفاع الملح. تظهر الحموضة والقلويات درجة حموضة داخل الخلايا محايدة ؛ البروتينات التي تواجه الأطراف الخارجية من الأس الهيدروجيني تمتلك محتويات عالية بشكل غير طبيعي في الأحماض الأمينية المؤينة.

تشير هذه الحقائق إلى أن البروتينات الكروية يجب أن تكون مستقرة إلى أقصى حد حول درجة حرارة الغرفة. ستة وعشرون منها فريدة من نوعها ، و 20 من 26 مستقرة إلى أقصى حد حول درجة حرارة الغرفة بغض النظر عن خصائصها الهيكلية ، أو درجة حرارة الانصهار ، أو درجات الحرارة الحية للكائنات الحية المصدر. يبلغ متوسط ​​درجة حرارة الثبات القصوى 293 ± 8 كلفن (20 ± 8 درجة مئوية). يتناقص متوسط ​​المساهمة النشطة للأحماض الأمينية الفردية تجاه استقرار البروتين مع زيادة حجم البروتين.

من خلال تحليل تأثيرها على بنية البروتين ، يمكن تصنيف الطرق التي تحصل بها الكائنات المحبة للحرارة على استقرار نسبي لبروتيناتها على النحو التالي:

  • زيادة الاكتناز والتعبئة الأفضل
  • زيادة التفاعلات الكهروستاتيكية
  • روابط هيدروجينية إضافية
  • جسور ثاني كبريتيد إضافية
  • زيادة التفاعلات الكارهة للماء
  • المكروية البروتين
  • الارتباط بالجليكوزيل

يعد التعديل العقلاني لاستقرار البروتين هدفًا مهمًا لتصميم البروتين. لا يتم تحسين التفاعلات الكهروستاتيكية على سطح البروتين من الناحية التطورية لتحقيق الاستقرار وهي هدف جذاب لإعادة التصميم العقلاني للبروتينات. نظهر أن طفرات الشحنة السطحية يمكن أن تمارس تأثيرات استقرار بطرق مميزة وغير متوقعة ، بما في ذلك تلك التي لا يمكن التنبؤ بها بالطرق الحالية ، حتى عندما تكون المواقع المعرضة للمذيبات مستهدفة فقط. تؤدي الطفرة الفردية لثلاثة ليسينات مكشوفة للمذيبات في المجال الفرعي لقطعة الرأس الشريرة إلى استقرار البروتين بشكل كبير ، لكن آلية التثبيت مختلفة جدًا في كل حالة. تؤدي إحدى الطفرات إلى زعزعة استقرار التفاعلات الكهروستاتيكية للحالة الأصلية ولكن لها تأثير مزعزع أكبر للحالة المحوَّلة الصفات ، بينما تزيل الطفرة الثانية عقوبة الإزالة التي تدفعها البقايا المشحونة ، بينما تقدم الطفرة الثالثة تفاعلات غير متوقعة للحالة الأصلية ولكنها لا تغير الكهرباء الساكنة. تظهر نتائجنا أنه حتى الطفرات التي تبدو بديهية يمكن أن تمارس تأثيرها من خلال تفاعلات غير متوقعة ومعقدة.

تشير هذه النتائج إلى أن تفاعلات الشحن السطحي مهمة لاستقرار البروتين وأن التحسين العقلاني لتفاعلات الشحن والشحن على سطح البروتين يمكن أن يكون استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز استقرار البروتين.

لقد اكتشفنا خاصية جديدة للأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWNTs) وقدرتها على تثبيت البروتينات في درجات حرارة مرتفعة وفي المذيبات العضوية إلى حد أكبر من الدعامات المسطحة التقليدية. تكشف النتائج التجريبية والتحليل النظري أن التثبيت ناتج عن انحناء SWNTs ، مما يثبط التفاعلات الجانبية غير المواتية للبروتين والبروتين. تشير نتائجنا أيضًا إلى أن الظاهرة ليست فريدة من نوعها لـ SWNTs ولكن يمكن أن تمتد إلى مواد نانوية أخرى. تمثل اتحادات الأنابيب النانوية البروتينية جيلًا جديدًا من المواد الحفازة النشطة والمستقرة مع إمكانية استخدامها في أجهزة الاستشعار الحيوية والتشخيصات والأغشية النشطة بيولوجيًا والمواد الهجينة الأخرى التي تدمج المكونات الحيوية وغير الحيوية.

تم العثور على السلسلة الرئيسية لجسر الملح من السلسلة الجانبية بين الطرف N و Glu 14 لاستقرار PFRD-XC4 بمقدار 1.5 كيلو كالوري مول -1. يتم تقليل التكلفة الحتمية لإنشاء جسر ملح سطحي يتضمن العمود الفقري للبروتين ، حيث تم بالفعل تجميد العمود الفقري عند طي البروتين.

  • 2000 - استقرار وتثبيت البروتينات الكروية في المحلول
  • 2002 - أقصى استقرار لبروتينات الدولتين العكسية
  • 2014 - التثبيت الحراري للإنزيم: أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا
  • 2012 - أدى التعديل العقلاني لاستقرار البروتين عن طريق استهداف المواقع السطحية إلى نتائج معقدة
  • 2012 - ارتباط ثنائي كبريتيد في الفيزياء الحيوية للبروتين
  • 2011 - الميثانول يقوي روابط الهيدروجين ويضعف التفاعلات الكارهة للماء في البروتينات - دراسة ديناميكية جزيئية مجمعة ودراسة الرنين المغناطيسي النووي
  • 2011 - مساهمة التفاعلات الكارهة للماء في استقرار البروتين
  • 1997 - الاستقرار الحراري للبروتين ، الروابط الهيدروجينية ، وأزواج الأيونات
  • 2005 - الاستقرار الحراري للبروتينات.
  • 2004 - بنية البروتين وثباته وقابليته للذوبان في الماء والمذيبات الأخرى.
  • 2000 - تعديل عقلاني لاستقرار البروتين عن طريق طفرة مخلفات السطح المشحونة
  • 2006 - استقرار البروتين والكهرباء الساكنة السطحية:؟ علاقة مشحونة
  • 2003 - مساهمة جسور الملح السطحية في استقرار البروتين: إرشادات لهندسة البروتين
  • 2000 - تأثير السكروز على التمسخ الحراري وتكوين الجيلاتين وتثبيت المستحلب لبروتينات مصل اللبن
  • 2006 - زيادة استقرار البروتين من خلال التحكم في بيئة النانو
  • 2000 - مساهمة جسور الملح السطحية في استقرار البروتين
  • 2003 - اقتران مرن لاستقرار بروتين الغشاء المتكامل لقوى طبقة ثنائية الدهون

تمسخ البروتين في الرغوة

كان الهدف من هذه الدراسة هو توضيح الآلية التي يتم من خلالها تغيير طبيعة جزيئات البروتين في الرغوة. وجد أن الضرر الذي يلحق بالبروتين يرجع أساسًا إلى تمسخ السطح في واجهة الغاز السائل. جزء بسيط من الجزيئات الممتصة لا تتطور إلى حالتها الأصلية عندما تمتص. تم العثور على درجة التمسخ مرتبطة مباشرة بالتعرض البيني ، والذي يزداد ، بالنسبة للواجهات المتنقلة أو المتنقلة جزئيًا ، عن طريق الصرف. أظهرت التجارب التي أجريت على بروتينين مختلفين أنه في ظل ظروف الاختبارات ، ظل حوالي 10 ٪ من جزيئات BSA التي امتصت على السطح مشوهة عند امتصاصها. بالنسبة للبيبسين كان الرقم حوالي 75٪. تم العثور على الأكسدة ، التي كان يُعتقد سابقًا أنها سبب رئيسي لتلف البروتين في الرغوة ، في حدها الأدنى. Neither do the high shear stresses in the liquid bulk encountered during bubble bursting cause denaturation, because energy is dissipated at a much greater length scale than that of the protein molecule. حقوق النشر 1999 Academic Press.


Denaturation of Proteins (with Denaturing Agents)

Denaturation may be defined as the disruption of the secondary, tertiary and quarternary structure of the native protein resulting in the alterations of the physical, chemical and biological characteristics of the protein by a variety of agents.

The native proteins are said to be the proteins occurring in animal and plant tissues. They pos­sess many characteristic properties such as solubil­ity, viscosity, optical rotation, sedimentation rate, electrophoretic mobility etc. For an oligomeric protein, denaturation may involve dissociation of the protomers with or with­out subsequent unfolding or with or without un­dergoing changes in protomer conformation.

Denaturing Agents:

Heat, surface action, ul­traviolet light, ultrasound, high pressure etc.

Acids, alkalis, heavy metal salts, urea, ethanol, guanidine de­tergents etc. Urea and guanidine probably interfere with the hydrogen bonds between peptide linkages. Acids and alkalis probably attack directly the hy­drogen bonds in the secondary and tertiary struc­ture of proteins.

Physical Alterations:

Many proteins, especially of the globular type, can be crystallized in the native state. But dena­tured proteins cannot be crystallized.

Chemical Alterations:

The denatured protein is greatly decreased in solubility at its isoelectric point. The chemical groups are exposed to chemical reactions and more readily detected as a result of the unfolding proc­ess in denaturation. Among these are sulphydryl group of cysteine, the disulphide group of cystine and the phenolic group of tyrosine.

Biological Alterations:

The digestibility of certain denatured proteins by proteolytic enzymes is increased. Enzymatic or hormonal activity is usually destroyed by dena­turation. The antigenic or antibody functions of proteins are frequently altered.

If the denaturation is severe, the protein mol­ecules become insoluble and precipitation results as well as the changes in the properties of the pro­teins are permanent and “irreversible”. In case of mild denaturation, there is “reversible denatura­tion” leading to the slight changes in the proper­ties of the protein which can be restored to the na­tive state after suitable treatment.

1. The precipitation of the native protein as a result of denaturation is used to advan­tage in the clinical laboratory.

2. Blood or serum samples to be analysed for small molecules (e.g., glucose, uric acid, drugs) generally are first treated with ac­ids such as trichloroacetic acid, phosphotungstic acid or phosphomolybdic acid to precipitate most of the proteins present in the sample. This is removed by cen­trifugation and the protein-free supernatant liquid is then analysed.

3. Denaturation is used to know the enzyme catalysed reaction of an extract at the loss of the enzyme activity when boiled or acidified.

Denaturation and Renaturation of Proteins:

Bovine ribonuclease of single polypeptide chain of 124 amino acid residues with small molecular weight contains four disulphide bonds. When it is treated with β-mercaptoethanol in 8 M. urea, the disulphide bonds are reduced to -SH groups as a result of the denaturation of the en­zyme and the enzyme activity is also lost.

Denatured ribonuclease, when freed from urea and β-mercaptoethanol by dialysis, slowly regains enzymic activity as the SH groups are oxidized by oxygen of air to form S-S bonds. But if the reduced ribonuclease in 8 M. urea solution is re-oxidized it loses its enzymic activity almost completely as wrong disulphide bonds are formed resulting in ‘scrumbled’ ribonuclease.

Similarly, when egg albumin is heated till it is coagulated, the denaturation is irreversible and the secondary and tertiary structure of the proteins are completely lost resulting in a mixture of ran­domly arranged polypeptide chains.


Odorant Binding and Chemosensory Proteins

Nadja Hellmann , in Methods in Enzymology , 2020

3.1 Equilibrium conditions and the issue of reversibility

Strictly speaking, when investigating protein denaturation , thermodynamic equilibrium means that the fractions of protein in the various states (native, intermediate, denatured) are only determined by the conditions (e.g., denaturant concentration, temperature) and not by the path which led to this state (e.g., per unfolding or per refolding). Thus, unfolding and refolding curves should not show any hysteresis, but should overlap. Then the process is reversible, and both curves are in equilibrium.

To achieve equilibrium conditions, as indicated by a temporally stable spectroscopic signal, it might take a while: for chemical denaturation of OBPs often incubation times of 24 h were employed. The refolding process might take even longer and often displays considerable hysteresis ( Stepanenko et al., 2014, 2016b ). Typically, the refolding curve is the one which does not represent equilibrium conditions.

In thermal denaturation studies, different results might be obtained for different heating rates. If denaturation is slower than the change in temperature, the denatured fraction lags behind and the curves obtained do not represent equilibrium conditions.

Irreversible aggregation of the denatured protein tends to occur in thermal denaturation ( Parisi et al., 2005 ). If the temperature at which aggregation starts (Tagg) is considerably higher than the denaturation temperature (Tم), it is possible to separate the two processes, and restrict the analysis to the range below Tagg. Not unfrequently, however, both processes take place within a narrow temperature range, and the obtained value of Tم might be distorted.


How Does Denaturation Affect the Function of a Protein?

Denaturation causes a protein to lose its biological function. For example, a denatured enzyme would no longer be able to catalyze a reaction.

Denaturation does not alter the protein's structure, nor does it hydrolyze the peptide bonds. While it causes the protein's structure to unfold, the amino acids forming it remain. Following denaturation, a protein cannot fulfill its biological role. This means an enzyme can no longer catalyze its target reaction, and insulin cannot target molecules to aid the movement of glucose into cells. When using heat to denature a protein, there are some instances where cooling it down can restore its function. However, in most cases the alteration is permanent.

There are several ways to denature a protein. Using salt, urea, acids and bases and heat interrupts the bonds between hydrogen and amides, which in turn causes it to lose its structure. When it comes to tertiary proteins, this may mean losing a hydrogen bond, disulfide bond, salt bridge and non-polar covalent bonds. Because of this, there is a broad number of substances that lead to denaturation. Heat can be used to break non-polar covalent bonds and hydrogen bonds. It is because of this that heat is a useful tool for sterilizing medical supplies and food preparation areas.


تمسخ البروتين

When a solution of a protein is boiled, the protein frequently becomes insoluble—i.e., it is denatured—and remains insoluble even when the solution is cooled. The denaturation of the proteins of egg white by heat—as when boiling an egg—is an example of irreversible denaturation. The denatured protein has the same primary structure as the original, or native, protein. The weak forces between charged groups and the weaker forces of mutual attraction of nonpolar groups are disrupted at elevated temperatures, however as a result, the tertiary structure of the protein is lost. In some instances the original structure of the protein can be regenerated the process is called renaturation.

Denaturation can be brought about in various ways. Proteins are denatured by treatment with alkaline or acid, oxidizing or reducing agents, and certain organic solvents. Interesting among denaturing agents are those that affect the secondary and tertiary structure without affecting the primary structure. The agents most frequently used for this purpose are urea and guanidinium chloride. These molecules, because of their high affinity for peptide bonds, break the hydrogen bonds and the salt bridges between positive and negative side chains, thereby abolishing the tertiary structure of the peptide chain. When denaturing agents are removed from a protein solution, the native protein re-forms in many cases. Denaturation can also be accomplished by reduction of the disulfide bonds of cystine—i.e., conversion of the disulfide bond (―S―S―) to two sulfhydryl groups (―SH). This, of course, results in the formation of two cysteines. Reoxidation of the cysteines by exposure to air sometimes regenerates the native protein. In other cases, however, the wrong cysteines become bound to each other, resulting in a different protein. Finally, denaturation can also be accomplished by exposing proteins to organic solvents such as ethanol or acetone. It is believed that the organic solvents interfere with the mutual attraction of nonpolar groups.

Some of the smaller proteins, however, are extremely stable, even against heat for example, solutions of ribonuclease can be exposed for short periods of time to temperatures of 90 °C (194 °F) without undergoing significant denaturation. Denaturation does not involve identical changes in protein molecules. A common property of denatured proteins, however, is the loss of biological activity—e.g., the ability to act as enzymes or hormones.

Although denaturation had long been considered an all-or-none reaction, it is now thought that many intermediary states exist between native and denatured protein. In some instances, however, the breaking of a key bond could be followed by the complete breakdown of the conformation of the native protein.

Although many native proteins are resistant to the action of the enzyme trypsin, which breaks down proteins during digestion, they are hydrolyzed by the same enzyme after denaturation. The peptide bonds that can be split by trypsin are inaccessible in the native proteins but become accessible during denaturation. Similarly, denatured proteins give more intense colour reactions for tyrosine, histidine, and arginine than do the same proteins in the native state. The increased accessibility of reactive groups of denatured proteins is attributed to an unfolding of the peptide chains.

If denaturation can be brought about easily and if renaturation is difficult, how is the native conformation of globular proteins maintained in living organisms, in which they are produced stepwise, by incorporation of one amino acid at a time? Experiments on the biosynthesis of proteins from amino acids containing radioactive carbon or heavy hydrogen reveal that the protein molecule grows stepwise from the N terminus to the C terminus in each step a single amino acid residue is incorporated. As soon as the growing peptide chain contains six or seven amino acid residues, the side chains interact with each other and thus cause deviations from the straight or β-chain configuration. Depending on the nature of the side chains, this may result in the formation of an α-helix or of loops closed by hydrogen bonds or disulfide bridges. The final conformation is probably frozen when the peptide chain attains a length of 50 or more amino acid residues.


Online Literature:

  1. K. A. Dill and J. L. MacCallum, The protein folding problem, 50 years on, Science 338, 1042-1046 (2012). (PDF) (Full Text Online) (podcast)
  2. Southall, N.T., K.A. Dill, and A.D.J. Haymet. A View of the Hydrophobic Effect. Journal of Physical Chemistry B 106: 521-533 (2002). (PDF)
  3. Summary of studies from small molecules (N-methyacetamide and benzene)

It is clear that proteins are not all that stable, and many contributions of varying magnitudes must sum to give the proteins marginal stability under physiological conditions. Hydrophobic interaction, defined in the new sense, must play a major role in stability. Also, since proteins are so highly packed compared to a lose denatured state, London Forces must also play a significant part. (Remember dispersion forces are short range and become most significant under conditions of closest packing.) Opposing folding is the chain conformational entropy just described. Since proteins are so marginally stable, even one unpaired buried ionic side chain, or 1-2 unpaired buried H bond donors and acceptors in the protein may be enough to "unravel" the native structure, leading to the denatured state.


Odorant Binding and Chemosensory Proteins

Nadja Hellmann , in Methods in Enzymology , 2020

3.1 Equilibrium conditions and the issue of reversibility

Strictly speaking, when investigating protein denaturation , thermodynamic equilibrium means that the fractions of protein in the various states (native, intermediate, denatured) are only determined by the conditions (e.g., denaturant concentration, temperature) and not by the path which led to this state (e.g., per unfolding or per refolding). Thus, unfolding and refolding curves should not show any hysteresis, but should overlap. Then the process is reversible, and both curves are in equilibrium.

To achieve equilibrium conditions, as indicated by a temporally stable spectroscopic signal, it might take a while: for chemical denaturation of OBPs often incubation times of 24 h were employed. The refolding process might take even longer and often displays considerable hysteresis ( Stepanenko et al., 2014, 2016b ). Typically, the refolding curve is the one which does not represent equilibrium conditions.

In thermal denaturation studies, different results might be obtained for different heating rates. If denaturation is slower than the change in temperature, the denatured fraction lags behind and the curves obtained do not represent equilibrium conditions.

Irreversible aggregation of the denatured protein tends to occur in thermal denaturation ( Parisi et al., 2005 ). If the temperature at which aggregation starts (Tagg) is considerably higher than the denaturation temperature (Tم), it is possible to separate the two processes, and restrict the analysis to the range below Tagg. Not unfrequently, however, both processes take place within a narrow temperature range, and the obtained value of Tم might be distorted.


بروتين

تتكون البروتينات من بقايا الأحماض الأمينية (أكثر من 100 حمض أميني) مرتبطة ببعضها البعض عن طريق روابط الببتيد ، كيميائيًا ، بلمرة الأحماض الأمينية إلى بروتين هي تفاعل تجفيف ، وهي ذات وزن جزيئي مرتفع (أكثر من 5000) غروانية بطبيعتها ، غير قابل للطلب ، وقابل للحرارة. يحتوي كل بروتين على تسلسل فريد ومحدد بدقة للأحماض الأمينية ، وتسلسل الأحماض الأمينية مهمة لعدة أسباب:

  • تساعد معرفة تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات في مسح آلية عملها (مثل الآلية التحفيزية للإنزيم).
  • يمكن أن ينتج عن التغيير في تسلسل الأحماض الأمينية وظيفة غير طبيعية ومرض مثل Sickle cell disease.

هيكل البروتين

الروابط المسؤولة عن بنية البروتين هي:

1. الروابط التساهمية

  1. روابط الببتيد (روابط أميد):تتحد المجموعة الكربوكسيلية لأحد الأحماض الأمينية مع المجموعة الأمينية لحمض أميني آخر (مع إزالة جزيء من الماء). هذه رابطة صلبة ، قوية ، لا يمكن أن يحدث دوران لجزيء البروتين حول هذه الرابطة (التي تربط ذرات C و N) ، لذلك فهي تعمل على استقرار بنية البروتين ، وتحدث هذه الرابطة في شكل تحويل ، وتقع جميع الذرات الأربع في نفس المستوى (أي متحد المستوى).لا يتم كسر روابط الببتيد في تمسخ البروتينات مثل. عند التعرض للحرارة أو الأشعة السينية أو عند الاهتزاز ، يمكن كسرها بفعل إنزيمي أو بحمض أو قاعدة قوية عند درجة حرارة مرتفعة.
  2. روابط ثاني كبريتيد (-S-S-):تحدث بين 2 من بقايا السيستين في نفس سلسلة عديد الببتيد أو في سلاسل مختلفة من عديد الببتيد ، وهي عبارة عن بونغ مستقر للغاية يقاوم الظروف المعتادة لتغيير طبيعة البروتين.

II. الروابط غير التساهمية

هذه روابط ضعيفة ، يمكن فصلها بسهولة ، ومع ذلك ، فإن الأعداد الكبيرة من هذه الروابط في جزيء البروتين تضيف إلى القوى التي تفضل طي البروتين.

  1. تتشكل الروابط الهيدروجينية عندما يحدث تقاسم ذرة الهيدروجين بين هيدروجين المجموعة -NH والأكسجين الكربوني لروابط الببتيد المختلفة ، ويمكن تكوين روابط هيدروجينية بين مجموعات R غير المشحونة القطبية على سبيل المثال - يا مع بعضها البعض أو بالماء.
  2. التفاعلات الطاردة للماء:The non-polar side chains of neutral amino acids tend to be introduced to the inside of the protein molecule exposed to water, they are not true bonds but interactions that help to stabilize the protein structure.
  3. Electrostatic bonds (ionic interaction or salt bridge): These bonds occur between the charged group of side chains of amino acids, (NH3 + of basic amino acids and COO¯ of acidic amino acids)
    They are either:
    أ. Repulsive: If the interactions between the side chains are of the same sign, [both are (+) or both are (-)].
    ب. Attractive: If the interactions occur between side chains of different charges [i.e. one is (+) and the other is (-)].
The conformation of proteins (Orders of protein structure)

In its native form, protein molecule has a characteristic three-dimensional shape (primary, secondary, tertiary structure), which is required for its specific biological function or activity, proteins formed of two or more polypeptide chains have a quaternary structure.

هيكل البروتين

1- Primary structure of proteins

This refers to the number and sequence of amino acids in the polypeptide chain or chains linked by peptide bonds, understanding of primary structures of proteins is important because many genetic diseases result with abnormal amino acid sequences. The amino acids sequences are read from N-terminal (amino acid number 1) to C-terminal ends of the peptide, the primary structure of proteins determines the secondary and tertiary structures which are essential for protein functions.

2- Secondary structure of proteins

Coiling, folding, or bending of the polypeptide chain leading to specific structure kept by interactions of amino acids close to each other in the sequence of the polypeptide chain, there are two main regular forms of secondary structure: α-helix and β-pleated sheets, other forms may be found.

3- Tertiary structure of proteins

It is the three-dimensional structure of each polypeptide chain, there are two main forms of tertiary structure: fibrous and globular types.

Domains are the functional and three-dimensional structural units of a polypeptide, folding of the peptide chain within a domain is independent of folding in other domains, thus each domain has the characteristics of a small compact globular protein, polypeptides that are greater than 200 amino acids generally consist of two or more domains,

The domains are usually connected with relatively flexible areas of protein. Interactions stabilizing tertiary structure include disulfide bonds, hydrophobic interactions, hydrogen bonds, and ionic interactions.

4- Quaternary structure of proteins

Certain polypeptides will aggregate to form one functional protein, proteins possess quaternary structure if they consist of 2 or more polypeptide chains, structurally identical, or totally unrelated united by non-covalent bonds (hydrogen, electrostatic bonds, and hydrophobic interaction), such proteins are termed oligomers, and the individual polypeptide chain is termed monomer or subunit, this protein will lose its function when the subunits are dissociated.
على سبيل المثال Hemoglobin is an example of protein present in the quaternary structure, it is a tetramer having 2α chains and 2β chains.

تمسخ البروتينات

It is the loss of native structure (natural conformation) of protein by many physical or chemical agents leading to changes in the secondary, tertiary, and quaternary structure of proteins due to rupture of the non-covalent bonds (hydrogen bonds, hydrophobic bonds, and electrostatic bonds and may be disulphide, but not peptide bonds), with loss of biological activity. Denaturation disrupts all orders of protein structure except the primary structure.


What is the Role of SDS

The R-groups of amino acids in a particular protein may bear either positive or negative charge, making the protein an amphoteric مركب. Therefore, in the native state, different proteins with the same molecular weight migrate at different speeds on the gel. This makes the separation of proteins in the polyacrylamide gel difficult. The addition of SDS to the protein denatures the proteins and covers them in a uniformly-distributed, net negative charge. This allows the migration of proteins towards the positive electrode during electrophoresis. In other words, SDS linearizes the protein molecules and masks the various types of charges on R-groups. In conclusion, the charge to mass ratio in SDS-coated proteins is same hence, there will be no differential migration based on the charge of the native protein. A SDS-PAGE of red blood cell membrane proteins is shown in figure 3.

Figure 3: SDS-PAGE

In addition to SDS-PAGE, SDS is used as a detergent in nucleic acid extractions for the disruption of the cell membrane and dissociation of nucleic acid: protein complexes.

استنتاج

SDS is an anionic detergent used as a detergent in various types of biotechnological techniques. It denatures the tertiary structure of a protein to produce a linear protein molecule. Furthermore, it binds to the denatured protein in a uniform manner, providing a uniform charge to mass ratio to all types of proteins. A net negative charge is given to the protein molecule by SDS by masking the charges on R-groups of amino acids of the protein. Hence, SDS allows the separation of proteins based on their molecular weight on a PAGE as the charge is proportional to the molecular weight of the denatured proteins by SDS.

المرجعي:

1. “How SDS-PAGE Works.” Bitesize Bio, 16 Feb. 2018, Available here.

الصورة مجاملة:

1. “SDS with structure description” By CindyLi2016 – Own work (CC BY-SA 4.0) via Commons Wikimedia
2. “Protein-SDS interaction” By Fdardel – Own work (CC BY-SA 4.0) via Commons Wikimedia
3. “RBC Membrane Proteins SDS-PAGE gel” By Ernst Hempelmann – Ernst Hempelmann (Public Domain) via Commons Wikimedia

نبذة عن الكاتب: لاكنه

لاكنا ، خريجة البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية ، هي عالمة أحياء جزيئية ولديها اهتمام واسع وحاد باكتشاف الأشياء ذات الصلة بالطبيعة


شاهد الفيديو: Protein synthesis Transcription and Translation (أغسطس 2022).