W trakcie smażenia jajka na patelni łatwo zaobserwować zmianę jego zabarwienia i struktury. Pod wpływem wysokiej temperatury pojawia się nowy twór, który właściwościami fizycznymi nie przypomina materii sprzed kilku minut. Sprawcą całego zdarzenia jest denaturacja.

Proces ten polega na utracie aktywności biologicznej oraz zniszczeniu struktur białek: drugo-, trzecio- i czwartorzędowych. Nie zostaje zmieniona jedynie struktura pierwszorzędowa, ponieważ wiązania peptydowe są wystarczająco silne, żeby pozostać nierozerwane. Podczas denaturacji zostają jednak zerwane wiązania stabilizujące pozostałe struktury białka, przez co dochodzi do zmian we właściwościach fizycznych i chemicznych protein. Ogólny schemat denaturacji przedstawiono poniżej.

RGquSDuMxUfcj

Ilustracja przedstawia schemat denaturacji białka. Po lewej stronie znajduje się białko w postaci zwiniętej alfa helisy z wiązaniami, które stabilizują strukturę białka i występują co cztery aminokwasy w łańcuchu, co warunkuje jego kształt. Strzałka skierowana w prawą stronę z napisem denaturacja. Za strzałką znajduje się struktura rozplątanego białka bez konkretnej kształtu, wiązania stabilizujące uległy zerwaniu.

Białka mogą ulegać denaturacji pod wpływem wielu różnych czynników, które ogólnie podzielono na dwie grupy – czynniki fizyczne i chemiczne – co zostało przedstawione na poniższej mapie myśli.

Temperatura

Wysoka temperatura (dla niektórych białek wystarczy $40°\text{C}$) powoduje rozerwanie wiązań wodorowych i oddziaływań hydrofobowych. Dzieje się tak, ponieważ podwyższając temperaturę, dostarczamy do układu dodatkową energię, która zwiększa energię kinetycznąenergia kinetycznaenergię kinetyczną układu. Powoduje to zwiększony ruch cząsteczek. W ten sposób dochodzi do zerwania wiązań. W życiu codziennym takie zjawisko zachodzi podczas gotowania produktów żywnościowych. Zdenaturowane białka są bardziej podatne na działanie licznych enzymów, co ułatwia nam trawienie pożywienia i wchłanianie potrzebnych substancji odżywczych. Również podczas sterylizacjisterylizacjasterylizacji narzędzi czy opatrunków medycznych zwiększa się temperaturę. Tak niszczone są białka, które występują w patogenach, a tym samym zostają unieszkodliwione potencjalne mikroorganizmy, wywołujące choroby.

Może także dojść do tzw. zimnej denaturacji, z którą mamy do czynienia przy niskiej temperaturze i wysokim ciśnieniu (powyżej $\mathrm{0,2} \text{GPa}$). Takie warunki sprzyjają zmniejszeniu oddziaływań hydrofobowych, wówczas struktura białka ulega rozwinięciu. Na poniższym wykresie zaprezentowano rodzaje denaturacji i jej zależność od temperatury i ciśnienia.

Promieniowanie UV

Promieniowanie UV, nazywane również promieniowaniem nadfioletowym, to promieniowanie elektromagnetyczne o długości około $300$ – $400 \text{nm}$. W zależności od długości fali, wyróżnia się promieniowanie UVA, UVB i UVC. Słońce emituje fale we wszystkich trzech zakresach, natomiast na Ziemię dociera tylko część promieniowania UVB i całe UVA, które jest mniej szkodliwe dla człowieka niż pozostałe rodzaje. Promieniowanie UV w dużych dawkach powoduje rozerwanie wiązań wodorowych w białkach, co prowadzi do zniszczenia struktur drugo-, trzecio-, i czwartorzędowych. Dlatego długotrwałe narażanie się na promienie słoneczne nie jest wskazane ze względu na zwiększenie ryzyka zachorowań na nowotwory skóry. Jednak minimalna dawka promieniowania jest potrzebna dla organizmu do produkcji witaminy ${\text{D}}_3$.

Wytrząsanie

Gwałtowne mieszanie czy ubijanie białka powoduje zerwanie wiązań wodorowych. To właśnie dzieje się w momencie ubijania piany z białek. Dochodzi wtedy do zerwania wiązań i wprowadzenia pęcherzyków gazów do układu. Następnie cząsteczki białek tworzą nowe wiązania, które oplatają cząsteczki gazów, tworząc tym samym strukturę piany. Schemat reakcji zamieszczono poniżej. Proces tworzenia nowych wiązań w białku nosi nazwę koagulacjikoagulacjakoagulacji.

RvKkdKnXEUQCm

Ilustracja przedstawiająca schematycznie kilka zwiniętych w kłębek łańcuchów białkowych oddalonych od siebie w sporej odległości.

RTYYBMmg50O9a

Ilustracja przedstawiająca schematycznie wynik krótkotrwałego ubijania białka. Na rysunku znajduje się kilka pojedynczych kulek reprezentujących pęcherzyki powietrza. Pomiędzy nimi znajdują się krótkie helisy utworzone przez łańcuchy białkowe.

RJXJPc5N2H4bI

Ilustracja przedstawiająca schematycznie wynik ubijania białka. Na rysunku znajduje się duża ilość znajdujących się w niedużych odległościach kulek, które odpowiadają pęcherzykom powietrza oraz spora ilość bardzo krótkich helikalnych łańcuchów białkowych, które oddzielają wspomniane pęcherzyki. Stabilizując strukturę piany.

• niebieskie tło to cząsteczki wody;

• zwinięte kłębki to białko;

• fale to zdenaturowane białka;

• białe okręgi w środku to pęcherzyki powietrza.

Etanol

Ten związek chemiczny zrywa wiązania wodorowe w białkach i wiążę się z grupami chemicznymi białek. Dla przykładu: etanol $70\%$ ma zdolność do przenikania przez ściany komórkowe bakterii i denaturacji obecnych w mikroorganizmach białek i enzymów, co prowadzi do śmierci komórki. Taka właściwość alkoholu, nazywana bakteriobójczą, jest wykorzystywana do dezynfekcji. Spożywanie etanolu sprawia, że białka, które budują nasz organizm, ulegają denaturacji i przez to nie mogą pełnić swoich funkcji. Etanol znajduje się w piwie, winie czy innych wyrobach alkoholowych.

Sole metali ciężkich

Sole metali ciężkich to związki chemiczne zawierające jony: ${\text{Hg}}^{2+}$, ${\text{Pb}}^{2+}$, ${\text{Ag}}^{+}$, ${\text{Tl}}^{+}$, ${\text{Cd}}^{2+}$ i jony innych metali o gęstości większej niż $\mathrm{4,5} \frac{\text{g}}{{\text{cm}}^3}$. Niszczą one wiązania jonowewiązania jonowewiązania jonowe w białku i prowadzą do zniszczenia mostków solnychmostki solnemostków solnych i mostków disiarczkowychmostki disiarczkowemostków disiarczkowych. Produktem takiej reakcji jest sól białka i metalu ciężkiego. Taką właściwość wykorzystuje się w przypadku zatrucia organizmu związkami metali ciężkich. Pacjentowi podaje się białko, które wytrąca sól, a następnie wywołuje się wymioty, usuwające z organizmu toksyny. Na przykład osobie zatrutej solami rtęci należy podać do wypicia mleko z białkiem kurzym, by doprowadzić do mdłości. W tym przypadku białka, zawarte w mleku i białku kurzym, wychwytują jony rtęci i są usuwane z organizmu.

Mocne kwasy i zasady

Mocne kwasy i zasady ulegają dysocjacji elektrolitycznejdysocjacja elektrolitycznadysocjacji elektrolitycznej w roztworze rozpuszczalnika. Zaburzają one wiązania jonowe w mostkach solnychmostki solnemostkach solnych w białku, niszcząc jego strukturę natywnąstruktura natywnastrukturę natywną.

Zaprezentowane powyżej przykłady denaturacji nie są wszystkimi możliwymi reakcjami. Wśród związków chemicznych, które powodują zniszczenie struktury natywnej białka, znajdują się m.in.: mocznik, guanidyna, SDS (sól sodowa siarczanu($\text{VI}$) dodecylu).

Denaturacja nie jest procesem nieodwracalnym. W początkowym jego etapie, po usunięciu czynnika denaturującego, może dojść do odtworzenia struktury natywnej białka. Takie zjawisko nazywa się renaturacją. Schemat został przedstawiony poniżej. Przykładem denaturacji odwracalnej jest zastosowanie soli amonowych, których użycie prowadzi do usunięcia płaszcza wodnego białka i zmiany jego struktury przestrzennej. Po dodaniu wody, białko wraca do struktury wyjściowej. Do czynników fizycznych, przyczyniających się do denaturacji nieodwracalnej, zaliczamy: ogrzewanie, silnie mieszanie, wytrząsanie, naświetlanie promieniowaniem nadfioletowym, rentgenowskimi i jonizującym lub działanie ultradźwiękami. Natomiast denaturacja chemiczna zachodzi w obecności mocznika, chlorku guanidyny, na skutek działania kwasów i zasad, soli metali ciężkich, alkoholi. Wszystkie te czynniki powodują rozerwanie wiązań wodorowych, jonowych, mostków disiarczkowych, czyli niszczą wiązania, które stabilizują strukturę łańcuchów polipeptydowych.

Sprawdź w poniższych laboratoriach, jakie czynniki powodują denaturację białek.

Pamiętasz z pewnością, że roztwory dzielą się na trzy główne typy: roztwory właściwe, koloidalne oraz zawiesiny. To, co je od siebie odróżnia, to średnica cząstek fazy rozproszonej (składnik, który chcemy rozpuścić) w fazie rozpraszającej, czyli w rozpuszczalniku. W tym rozdziale zajmiemy się koloidami, a właściwie jednym szczególnym, z punktu widzenia nauki w szkole średniej, typem roztworu koloidalnego, czyli wodnym roztworem białek.

Koloidy należą do mieszanin niejednorodnych, heterogenicznych, w których średnica cząstek fazy rozproszonej mieści się w przedziale od ${10}^{-9}$ do ${10}^{-7} \text{m}$ (czyli od $1$ do $100 \text{nm}$). W roztworze wodnym białka fazą rozproszoną jest np. białko jaja kurzego, a fazą rozpraszającą (rozpuszczalnikiem) woda.

Białka to makrocząsteczki, które występują w każdym żywym organizmie. Musimy pamiętać, że istnieje wiele typów białek, a funkcje, jakie spełniają są bardzo różnorodne. Jednak wszystkie białka łączy to, że są zbudowane z dużej liczby reszt jednostek aminokwasowych połączonych w długi łańcuch. Istotne jest również to, że łańcuchy te zawierają wiele hydrofilowych (polarnych) elementów strukturalnych. A ta cecha z kolei jest kluczowa w tym rozdziale.

Badanie rozpuszczalności białka w wodzie

Wyobraź sobie, że rozpuszczamy białko jaja kurzego w wodzie.

Obserwujemy wówczas, że białko „wisi” w wodzie, a po dokładnym wymieszaniu, tworzy się emulsja. Otrzymaliśmy typowy roztwór koloidalny.

Przyczyną powstawania koloidu jest duży rozmiar cząsteczek białka. Oddziałują one solwatacyjnie z cząsteczkami wody. Innymi słowy są przez wodę hydratowane. A hydratacja to proces otaczania cząsteczek rozpuszczanego związku chemicznego przez wodę. To zjawisko jest możliwe dzięki własnościom polarnym wody oraz obecności w łańcuchach aminokwasowych białek grup polarnych, takich jak np.:

• $—\text{COOH}$ (grupa karboksylowa),

• $—{\text{NH}}_2$ (grupa aminowa),

które oddziałują z wodą za pomocą wiązań wodorowych.

R1Nlslw8QVKls

Ilustracja dotyczy solwatacji (otaczania) białka przez cząsteczki wody. Cząsteczki wody przedstawiono za pomocą modeli kulkowych: atom tlenu stanowi czerwona kulka, a dwa atomy wodoru stanowią dwie białe kulki znacznie mniejsze niż atomy tlenu. Atomy wodoru znajdują się blisko siebie, co odwzorowuje kształt cząsteczki wody, w której kąty pomiędzy atomami są mniejsze niż 180 stopni. Białko zostało przedstawione za pomocą jasnożółtego owalu z pomarańczową obwódką. W środku owalu umieszczono napis: "białko". Szesnaście cząsteczek wody otaczają cząsteczkę białka; cząsteczki wody ustawiają się w ten sposób, że są zwrócone atomami wodoru w kierunku cząsteczki białka.

Sprawdź,w poniższym laboratorium, czy wysalanie jest procesem odwracalnym.

Kiedy mamy już przygotowany roztwór białka w wodzie, to wyobraźmy sobie, że dodajemy do niego nasycony roztwór soli kuchennej ($\text{NaCl}$). Obserwujemy wówczas zmianę konsystencji. Roztwór białka robi się gęstszy i powstają w nim białe grudki. Natomiast kiedy dodamy do roztworu wodę, to zaobserwujemy ponowne utworzenie roztworu koloidalnego.

R8Jhs96ACBqdC

Ilustracja dotyczy zjawiska wysalania białka przy pomocy chlorku sodu. Na samej górze ilustracji umieszczono cząsteczkę białka otoczoną cząsteczkami wody. Cząsteczki wody przedstawiono za pomocą modeli kulkowych: atom tlenu stanowi czerwona kulka, a dwa atomy wodoru stanowią dwie białe kulki znacznie mniejsze niż atomy tlenu. Atomy wodoru znajdują się blisko siebie, co odwzorowuje kształt cząsteczki wody, w której kąty pomiędzy atomami są mniejsze niż 180 stopni. Białko zostało przedstawione za pomocą jasnożółtego owalu z pomarańczową obwódką. W środku owalu umieszczono napis: "białko". Szesnaście cząsteczek wody otaczają cząsteczkę białka; cząsteczki wody ustawiają się w ten sposób, że są zwrócone atomami wodoru w kierunku cząsteczki białka.Pod cząsteczką białka znajduje się niebieska strzałka skierowana w dół, a obok niej napis: + chlorek sodu. Poniżej napisu znajduje się model kulkowy cząsteczki chlorku sodu: duża zielona kulka z oznaczeniem ${\text{Cl}}^{-}$ oraz dużo mniejsza szara kulka z oznaczeniem ${\text{Na}}^{+}$. Poniżej przedstawiono efekt otrzymany w wyniku wysalania białka. Anion chlorkowy jest otoczony sześcioma cząsteczkami wody, w których oznaczono atomy wodoru ładunkiem dodatnim, czyli znakiem plus. Cząsteczki ulokowane są atomami wodoru w kierunku aniony chlorkowego. Po prawej stronie znajduje się kation sodu otoczony sześcioma cząsteczkami wody, ustawionymi tym razem atomem tlenu do kationu. Na atomach tlenu zaznaczono ładunek ujemny przy pomocy znaku minus. Na samym dole ilustracji znajduje się cząsteczka białka, przedstawiona jako jasnożółty owal z pomarańczową ramką i napisem białko. Wokół tej cząsteczki nie ma żadnych cząsteczek wody.

Po dodaniu soli metalu lekkiego, otoczka solwatacyjna tworzona przez wodę zostaje zniszczona. Jony mocnego elektrolitu są silniej solwatowane niż białko. Następuje wówczas wytrącenie białka z roztworu w postaci charakterystycznego osadu – żelu. Jest to proces koagulacji odwracalnej, czyli wysalania. Po dodaniu wody, białko przyjmuje pierwotną postać, ponieważ nadmiar wody odbudowuje otoczkę hydratacyjną. Takie ponowne przejście żelu w zol nazywane jest peptyzacją.

Należy pamiętać, że proces wysalania nie niszczy struktur białka, co wiąże się z zachowaniem przez białko swojej biochemicznej funkcjonalności. Koagulację odwracalną powodują tylko nasycone roztwory soli metali lekkich oraz amonowych.