Denaturatie
n., diˈneɪ tʃəræʃən
Een proces waarbij een molecuul denatureert als gevolg van blootstelling aan een denatureringsmiddel
Inhoudsopgave
Denaturatiedefinitie
In de biochemie wordt denaturatie gedefinieerd als een proces waarbij een moleculaire structuur afwijkt van zijn oorspronkelijke toestand bij blootstelling aan een denatureringsmiddel. In de biologie zijn eiwitten en nucleïnezuren (b.v. DNA) voorbeelden van biomoleculen die denatureren. Een gedenatureerd eiwit is bijvoorbeeld een eiwit waarvan de driedimensionale (3D) structuur is verstoord als gevolg van blootstelling aan bepaalde chemische of fysische factoren (denaturerende stoffen genoemd). Denaturerende stoffen kunnen de vorm hebben van warmte, straling, zuur, oplosmiddelen, enz. Wanneer een eiwit wordt blootgesteld aan een denaturerende stof, wordt de structuur ervan gewijzigd, waardoor de aangeboren biologische activiteit en functie verloren gaan. Behalve eiwitten kunnen ook nucleïnezuren, zoals DNA, worden gedenatureerd. Blootstelling van DNA aan hitte kan er bijvoorbeeld toe leiden dat de 3D-structuur verandert. Van de oorspronkelijke dubbelstrengs toestand kan het veranderen in een enkelstrengs molecuul door de dissociatie van de twee strengen door verhitting.
In de voedingsindustrie wordt denaturatie gedefinieerd als het proces waarbij voedsel of drank (bijv. alcohol) ongeschikt te maken voor menselijke consumptie door het opzettelijk versnijden van voedsel of drank, bijvoorbeeld door toevoeging van een schadelijke stof.
Etymologie
De term denaturatie is een combinatie van “denature” en achtervoegsel – “ion”. Het woord denaturatie is afkomstig van het Franse “dénaturer”, dat op zijn beurt afkomstig is van het Latijnse “dis”-, dat “uit elkaar” betekent, en “nātūra”, voor “natuur”.
Soorten denaturatie
De soorten denaturatie kunnen gebaseerd zijn op de oorzaak: (1) biologisch geïnduceerd of (2) niet-biologisch geïnduceerd.
Biologisch-geïnduceerde denaturatie
Denaturatie is een vorm van denaturatie die in biologische systemen voorkomt. Hieronder vallen de biologisch belangrijke DNA-processen, zoals DNA-replicatie, transcriptie en DNA-reparatie. Bij deze processen wikkelt het dubbelstrengs DNA af en raken de twee strengen gedeeltelijk gescheiden, waardoor de zogenaamde “bel” ontstaat. Bij transcriptie bijvoorbeeld wikkelt een deel van het DNA af en vormt een transcriptiebel van waaruit een plaats in de bel dient als aanhechtingsplaats voor RNA-polymerase. (Ref.1)
Niet-biologisch geïnduceerde denaturatie
Niet-biologisch geïnduceerde denaturatie is een proces dat niet biologisch van aard is, maar wordt veroorzaakt door andere externe middelen, die chemisch of fysisch van aard kunnen zijn. Chemische stoffen, zoals zware metalen en metalloïden, kunnen de biomoleculaire structuren verstoren. Zij veroorzaken op verschillende manieren denaturatie van proteïnen. Proteïnen worden bijvoorbeeld gedenatureerd wanneer deze chemische stoffen reageren via hun functionele zijgroepen of wanneer zij de aminozuurzijketens oxideren. Zij kunnen ook de neiging hebben metaalionen in metalloproteïnen te disloceren. (Ref.2) Naast de directe verstoring van de eiwitstructuur kunnen chemische stoffen (zuren of basen) ook denaturatie induceren door veranderingen in de pH. Zuren die de fysiologische pH doen dalen tot 5 of lager kunnen leiden tot het zogenaamde zuur-geïnduceerde ontvouwen van eiwitten; basen die de pH doen stijgen tot 10 of hoger kunnen mogelijk leiden tot base-geïnduceerde ontvouwing van eiwitten. (Ref.3) Wat betreft fysische factoren, omgevingsstress die denaturatie van eiwitten en nucleïnezuren kan veroorzaken zijn onder andere extreme temperatuur, straling, zoutgehalte, druk, en elektronegatieve moleculen in de atmosfeer (bijv. stikstof en zuurstof); zij kunnen de waterstofbruggen in een biomolecuul verbreken.
Effecten van denaturatie in biomoleculen
Denaturatie zorgt ervoor dat een biomolecuul, zoals een nucleïnezuur of een eiwit, afwijkt van zijn oorspronkelijke structurele staat. Dit betekent dat de volgorde van de monomere eenheden waaruit het molecuul bestaat, dezelfde kan blijven. Wat bij denaturatie wordt verstoord, is de oorspronkelijke 3D-structuur van het biomolecuul. Zo zullen enzymen (katalytische eiwitten) ontvouwen en hun actieve plaats verliezen wanneer zij worden behandeld met denaturerende stoffen (bv. sterke zuren of basen, hitte, oplosmiddelen en zouten). De peptidebindingen tussen de aminozuren in een sequentie zijn niet zo gevoelig voor denaturatie als de waterstofbindingen. Wat denaturatie dus verstoort is de structurele vouwing van gedenatureerde enzymen. Verstoring van de structurele vouwing betekent dat hun 3D-vorm is beschadigd en dat hun functie als katalysator van biologische reacties verloren is gegaan. Hoe? Een van de post-translationele stappen van de eiwitsynthese is eiwitrijping. Het nieuw gesynthetiseerde eiwit verschijnt als een lineair polymeer van aminozuren. Vervolgens vouwt het zich op tot een 3D-molecuul. De 3D-vorm wordt bereikt door de vorming van waterstofbruggen binnen de structuur. Het eindresultaat is een volgroeid eiwit met een kenmerkende vorm en een “actieve plaats” waar specifieke substraten zich aan kunnen binden. Wanneer een eiwit echter wordt blootgesteld aan een denaturerende stof, worden de waterstofbruggen die de 3D-structuur van het eiwit helpen vormen, verbroken. Dit resulteert in de verstoring van de eiwitstructuur. De “actieve plaats” gaat ook verloren. De substraten die oorspronkelijk aan de actieve site van het enzym konden binden, zullen dat na denaturatie dus niet meer kunnen. Als gevolg daarvan zal het biochemische proces dat in gang wordt gezet door de binding van het enzym en het substraat, ook worden verstoord. Dit verklaart waarom extreme omstandigheden, zoals blootstelling aan langdurige straling, hitte en sterke chemicaliën, dodelijk kunnen zijn voor organismen. Deze denaturerende stoffen kunnen de waterstofbruggen verbreken die de 3D-configuratie van deze biomoleculen helpen vormen. Blijkbaar zijn waterstofbruggen een zwak type van chemische binding; zij breken gemakkelijk door blootstelling aan hitte, straling en andere stressfactoren.
De aanwezigheid van gedenatureerde eiwitten of gedenatureerde nucleïnezuren impliceert een potentiële verstoring van de celactiviteit. Als de cel er niet in slaagt de verstoring te corrigeren, loopt hij het risico van vroegtijdige celdood. De eiwitten kunnen hun natuurlijke actieve toestand terugkrijgen indien het denatureringsmiddel wordt verwijderd. Er zijn echter gevallen waarin het proces onomkeerbaar is. Eiwitten moeten op de juiste wijze worden gevouwen om functioneel te worden. Nucleïnezuren moeten op hun beurt hun structurele stabiliteit behouden om het potentiële risico van mutatie te minimaliseren. Anders zou het lichaam het risico lopen een ziekte te ontwikkelen. Denaturatie en aggregatie van eiwitten zijn de oorzaak van blindheid, de ziekte van Alzheimer, en vele andere neurodegeneratieve ziekten. (Ref.4)
Denaturatie die een verandering in de chemische structuur met zich meebrengt, is niet van toepassing op het verklaren van alcoholdenaturatie in de voedingsindustrie. Het is een ander aspect. Denaturatie houdt in dit verband geen verandering van structuur in, maar slechts de toevoeging van een schadelijke stof aan een voedingsmiddel of drank. De chemische structuur van gedenatureerde alcohol wordt bijvoorbeeld niet veranderd; het betekent alleen dat er additieven aan zijn toegevoegd die het voor de mens onsmakelijk maken.
Functies van denaturatie
Op cellulair niveau is denaturatie een cruciale stap, met name in veel DNA-processen (zoals hierboven beschreven). Het DNA wordt gedeeltelijk “geopend” en de replicatie of transcriptie kan doorgaan. Anders kunnen DNA-strengen niet worden gekopieerd als voorbereiding op mitose of bij het maken van een mRNA-transcript voor de vertaling van eiwitten. Op het niveau van het biologische systeem wordt denaturatie door het lichaam gebruikt om ziekteverwekkers te doden. Het doet dit door middel van pH-regeling en biochemische afscheidingen. Denaturatie is ook belangrijk bij de vertering van voedsel. Eiwitten in voedsel worden gedenatureerd door de werking van de vrijgekomen spijsverteringsenzymen.
In de medische wereld wordt hetzelfde principe toegepast bij het gebruik van een denaturatiemechanisme bij het doden van bacteriën, virussen en andere cellen die ziekten veroorzaken. In laboratoria en bij onderzoek is denaturatie een favoriet proces bij een polymerase-kettingreactie, een techniek die wordt gebruikt om snel meerdere in vitro kopieën van DNA te maken.
Verwante termen
- Alkali denaturatietest
Zie ook
- Proteïne
- Nucleïnezuur
- Transcriptie (biologie) | Artikelen over biologie, Tutorials & Woordenboek Online. (2019). Opgehaald van Biologie Artikelen, Handleidingen & Woordenboek Online website: https://www.biologyonline.com/dictionary/transcription-biology/
- Tamás, M. J., Sharma, S. K., Ibstedt, S., Jacobson, T., & Christen, P. (2014-03-04). “Heavy Metals and Metalloids As a Cause for Protein Misfolding and Aggregation”. Biomoleculen. 4 (1): 252-267.
- Konermann, L. (2012-05-15). Eiwit ontvouwing en denaturerende stoffen. eLS. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd.
- Meredith, S. C. (2005). Eiwitdenaturatie en -aggregatie: Cellular responses to denatured and aggregated proteins. Annals of the New York Academy of Sciences, 1066, 181-221. https://doi.org/10.1196/annals.1363.030