Denaturace bílkovin – seminární práce

 

   Otázka: Denaturace bílkovin

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Liduš N.

 

 

 1. Úvod

Jako téma na seminární práci z chemie jsem si nakonec vybrala denaturaci bílkovin. Je to téma mnohdy lehce složitější na pochopení, nicméně důležité zejména pro lidský organismus. Chci si položit otázku jak a proč se bílokovina změní poté, co je zdenaturována a jak je možné, že se některé bílkoviny mohou vrátit do své původní podoby, i když by se to nemělo stát. Chystám se tedy rozšířit to málo, co o tomto tématu vím.  Doufám, že se mi povede objevit něco zajímavého a neobvyklého.

 

2. Stručně – co jsou to bílkoviny,

2.1 Aminokyseliny a peptidická vazba.

Bílkoviny, nebo-li proteiny,  jsou důležité pro všechny živé organismy. Nevíme o žádném, který by bílkoviny nepotřeboval (Honza, Mareček, 2000, str.147). Bílkoviny se skládají z aminokyselin a jsou to alfa-aminokyseliny, které můžeme označit za jejich základní jednotku. Připravují se reakcí alfa-halogenkyseliny s vodným roztokem amoniaku (Honza, Mareček, 2000, str.86).

 

A jak z aminokyselin vlastně vznikne bílkovina? Je to jednoduché, protože „aminokyseliny mají schopnost se vzájemně vázat prostřednictvím peptidické vazby“ (Honza, Mareček, 2000,str.147). Peptidická vazba je spojení,  při kterém se spojí aminoskupina jedné molekuly s karboxylovou skupinou druhé molekuly za odštěpění vody. Tato reakce se nazývá kondenzace (Honza, Mareček,  2000, str.88). Díky peptidické vazbě vznikají bílkoviny. Samozřejmě, že zase tak jednoduché to není. Pokud spolu zkondenzují 2 molekuly aminokyselin vznikne dipeptid, pokud tři tak tripeptid, jedenáct až sto molekul aminokyselin znamená obecně polypeptid. Bílkovina se z toho stává až poté, co spolu zkondenzuje 100 a více molekul aminokyselin.

 

Jak již jsem zmínila výše, základní stavební jednotkou bílkovin jsou alfa-aminokyseliny (výjimkou je prolin), přesněji 20 základních aminokyselin. Kromě těchto základních aminokyselin existují i další, ale ty se již nemohou podílet na stavbě bílkovinných makromolekul (Honza, Mareček, 2000, str.148-149).

 

2.2 Struktury bílkovin

Abychom mohli jasně prozkoumat, jak vypadají bílkoviny po denaturaci, je třeba znát jejich struktury. Strukura bílkovin je několika stupňová – primární, sekundární, terciární a kvartérní, vychází to z uspořádání aminokyselin v řetězci. (Obrázky struktur viz. Příloha 1)

Primární – Je dána přesným pořadím aminokyselin v řetězci. Určuje tvorbu sekundární struktury (Romanovský, 1985, str.39-40).  Podmiňuje biologickou funkci bílkoviny, pořadí aminokyselin je zde dáno geneticky (Vlas, 2009, http://projektalfa.ic.cz/struktura.htm).

Sekundární – Je prostorovým uspořádáním aminokyselin v řetězci. Stabilizuje se pomocí vazeb vodíkový můstek. Existují 2 typy této struktury. První se podobá skládanému listu (označení beta) a druhá je závitnice (šroubovice), alfa-helix (Vlas, 2009, http://projektalfa.ic.cz/struktura.htm).

Terciární – Určují jí další vazebné interakce. Jsou to iontové vazby, van der Waalsovy síly a disulfidické vazby. Terciární struktura také dává bílkovině konečnou prostorovou podobu (Romanovský, 1985, str.40-41), (Vlas, 2009, tamtéž), (Davídek, 2005,   https://el.lf1.cuni.cz/p51525121)

Kvartérní – Vyskytuje se u bílkovin, které jsou složeny z více než dvou polypeptidových řetězců. Ty jsou spojeny vodíkovými a iontovými vazbami (Romanovský, 1985, str.40-41) (Vlas, 2009, tamtéž) (Davídek, 2005, tamtéž).

 

3 Co je to denaturace

Dostáváme se k samotné otázce, co je vlastně denaturace bílkovin? „Je to změna prostorového uspořádání molekuly bílkoviny, při které dochází k narušení či ztrátě jejích biologických funkcí vlivem fyzikálních nebo chemických činidel“(Romanovský, 1985, str.43).  Je tedy zřejmé, že dochází k narušení pouze sekundární a terciární struktury. Děje se to proto, že reakce denaturace není natolik silná, aby přerušila peptidické vazby. A proto primární struktura, tedy pořadí aminokyselin, zůstává po denaturaci v nezměněné formě.

 

3.1 Jak probíhá denaturace

Proces denaturace naruší alfa-helix a beta-skládané listy v bílkovině a rozvine je do libovolné podoby (Ophardt, 2003, http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/568denaturation.html).

 

Jelikož v terciární struktuře jsou 4 typy vazebných interakcí mezi postraními řetězci (vodíkové vazby, solné můstky, disulfidové vazby, nepolární hydrofobní vazby), které mohou být narušeny, existuje mnoho způsobů, jak způsobit denaturaci. Nejběžnější je proces srážení (Ophardt, 2003, tamtéž). Ještě než si popíšeme konkrétní případy denaturace, je potřeba si vysvětelit následující dva pojmy – denaturace vratná a nevratná.

 

3.2 Denaturace vratná

Vratná denaturace může být mnohdy označována jako renaturace, což je proces, při kterém je denaturovaná bílkovina převedena zpět do své původní podoby. Tedy do podoby, kterou měla před denaturací. Může se to provést například snížením teploty nebo odstraněním denaturačního činidla. Při tomto procesu může bílkovina „najít“ svoji původní strukturu, avšak většinou se to nepodaří (Kodíček, 2004, http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-002_v1/hesla/denaturace.html). Vratná denaturace může také nastat v případě tzv. vysolování. Tento proces je z chemického hlediska poměrně složitý, ale zjednodušeně můžeme říct, že se do rozotku vaječného bílku přidá denaturační činidlo síran amonný. Vzniká sraženina, která se po přidání vody rozpustí, bílkovina tedy obnoví svoji původní strukturu (Fendrychová, 2010, http://www.studiumchemie.cz/materialy_info.php?id=104). Obecně řečeno, vratné denaturace se dějí zejména u jednodoménových bílkovin a u kratších úseků DNA (Kodíček, 2004, tamtéž).

 

3.3 Denaturace nevratná

Nevratnou denaturaci jsme si v podstatě vysvětlii již výše, ale pro úplnost bych to raději zopakovala. Je to tedy proces, kdy se výrazně změní sekundární a terciární struktura bílkoviny takovým způsobem, že se již nemůže vrátit do své původní přirozené (nativní) podoby (Kodíček, 2004, tamtéž). Jak jsem již uvedla dříve, velice běžným způsobem denaturace je srážení. Jako denaturační čidnidlo při srážení můžeme použít alkohol nebo např. aceton, kyselinu či přímo činidlo, které je specifické pro danou bílkovinu. K denaturaci může dojít i zahříváním, působením ultrazvuku, elektromagnetickým zářením a jinými způsoby (Pešková, 2006, http://is.muni.cz/th/102319/fsps_b/Bakalarska_prace.doc.).

 

   3.4 Proč je denaturace tak důležitá

V čem tedy spočívá ona prospěšnost a důležitost denaturačního procesu? Jako každý proces má i tento své klady a zápory. Jedním z hlavních záporů je určitě ztráta biologické funkce bílkoviny. Z uvařeného vajíčka už nikdy nemůže být kuřátko. Na druhou stranu tato ztráta je přímo žádoucí pro lidský organismus, jelikož umožňuje lepší stravitelnost bílkovin, a navíc si i uchová svoji výživovou hodnotu (Pešková, 2006, tamtéž). Slouží i jako dobrá prostředek k uchovávání potravin, zde se pro příklad vrátím k vejci, které uvařené vydrží při běžné pokojové teplotě déle poživatelné, než syrové.  Díky denaturaci změníme rozpustnou bílkovinu na nerozpustnou, popřípadě snížíme či zvýšíme její nutriční hodnotu. (Neznámý, http://leccos.com/index.php/clanky/denaturace)

Denaturace se využívá v potravinářském průmyslu, kde se denaturací myslí „znehodnocení potravin pro lidský konzum přidáním nepoživatelné, jedovaté, zapáchající či jinak odpuzující látky (např. denaturace lihu methanolem, benzenem či benzinem, denaturace cukru barvivy ap.)“ (Kodíček, 2004, tamtéž). V molekulární biologii se používá denaturace DNA při procesu zvaném DNA-DNA hybridizace (navázání jednovláknové molekuly RNA či DNA na jinou jednovláknovou molekulu DNA či RNA), který se, velmi zjednodušeně řečeno, využívá pro analýzu evolučních vztahů mezi organismy (Macholán, Piálek, 2002,  web.natur.cuni.cz/~muncling/MOLE.DOC ).    

 

   3.5 Denaturace DNA

Denaturaci DNA můžeme také najít v polymerázové řetězové reakci (PCR). Tato metoda se využívá k množení určitého účeku DNA „in vitro“. Pomocé této reakce můžeme namnožit určitý vybraný úsek DNA podobně jako se to děje při replikaci v živém organismu. Důležitou roli zde hraje vysoká teplota, zhruba 94°C, při níž se dvouvlákno DNA rozplete. Celý cyklus má 3 fáze s odlišnými teplotami. (Bártová, 2011, http://opvk2011.ptacisvet.cz/?title=popis_metod-pcr&lang=cz).  Je nutné zdůraznit, že tento proces je plně vratný, což znamená, že DNA se po ukončení procesu vrátí do své původní podoby aniž by ztratila svoji předešlou strukturu (Neznámý, 2013, http://cs.wikipedia.org/wiki/Denaturace).

 

Teoreticky jsou denaturace bílkovin i DNA podobné – při obou zaniká původní struktura a vytváří se neurčité klubko. Nicméně ani jeden proces neděláme jen tak. Zatímco denaturace bílkovin je pro nás životně důležitá, denaturaci DNA děláme in vitro hlavně kvůli výzkumu – a to především k mapování genomu, zjišťování struktury genu a odhalování jeho poruch v závislosti s léčbou genetických onemocnění. (Neznámý, 2013, http://cs.wikipedia.org/wiki/Denaturace).

Samotná PCR slouží k namnožení materálu pro biotechnologické metody, jako jsou například analýza genů, zjišťování genetických nemocí nebo identifikaci lidí. (Bártová, 2011, tamtéž)

 

4. Shrnutí poznatků

Závěrem bych ráda shrnula ucelené poznatky. Víme, že bílkovina je tvořena alespoň 100 alfa-aminokyselinami s  peptidickými vazbami. Její struktura je 4 stupňová – primární, sekundární, terciární a kvartérní. Denaturace je děj, při kterém se naruší a změní prostorové struktury. Je to proces nevratný a bílkovina ztratí svou biologickou funkci. Opačným procesem je tzv. renaturace. Tedy denaturace, jejíž proces lze nějakým způsobem (snížením teploty, pH,..) zastavit a vrátit bílkovinu do její nativní podoby. K denaturaci můžeme použít celou řadu činidel, pomocí kterých narušíme struktury bílkoviny. Samotný proces denaturace je velice důležutý pro lidský organismus, neboť bílkoviny se tak stávají stravitelnějšími, aniž by se nějak narušila jejich výživová hodnota. Denaturace (zejména alkoholu) se používá pro znehodnocení potravin přidáním jedovaté látky pro jiné než potravinářské využití. V molekulární biologii se s pojmem denaturace můžeme setkat v souvislosti s metodou hybridizace DNA a také v souvislosti s metodou polymerázové řetězové reakce, která slouží k namnožení určitých úseků DNA in vitro a to hlavně pro biotechnologické účely.

Pro úplný závěr bych ráda dopnila, že další ukázky změněných struktur bílkovin po denaturaci je možné vidět ve videích, která jsou součástí prezentace. Myslím, že jsem si dostatečně odpověděla na otázky, které jsem si položila v úvodu a našla i něco navíc, co jsem vůbec nečekala. Nikdy by mě nenapadlo dávat denaturaci do spojitosti s DNA. Tato zkušenost ve mně pohloubila zájem o metody molekulární biologie, které se zabývají právě výzkumem DNA a vše kolem ní.

 

Seznam literatury

BÁRTOVÁ, Eva. PCR (polymerázová řetězová reakce). In: Molekulární biologie [online]. 2011 [cit. 2012-12-29]. Dostupné z: http://opvk2011.ptacisvet.cz/?title=popis_metod-pcr&lang=cz

DAVÍDEK, Jiří. 2. Aminokyseliny, peptidy a bílkoviny [online]. [cit. 2012-12-26]. Dostupné z: https://el.lf1.cuni.cz/p51525121/

FENDRYCHOVÁ, Anna. Denaturace proteinů – vratná denaturace. [online]. 2010 [cit. 2012-12-26]. Dostupné z: http://www.studiumchemie.cz/materialy_info.php?id=104

KODÍČEK, Milan. Denaturace. [online]. 2004 [cit. 2012-12-26]. Dostupné z: http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-002_v1/hesla/denaturace.html

MACHOLÁN, Miloš a Jaroslav PIÁLEK. 4. Molekulární metody. In: [online]. 2002 [cit. 2012-12-29]. Dostupné z: web.natur.cuni.cz/~muncling/MOLE.DOC

MAREČEK, Aleš a Jaroslav HONZA. Chemie pro čtyřletá gymnázia. 1. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2000. ISBN 80-7182-057-1

NEZNÁMÝ, Denaturace. In: [online]. [cit. 2012-12-29]. Dostupné z: http://leccos.com/index.php/clanky/denaturace

NEZNÁMÝ. Denaturace. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-04-29]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Denaturace

OPHARDT, Charles E. Protein denaturation. [online]. 2003 [cit. 2012-12-26]. Dostupné z: http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/568denaturation.html

PEŠOVÁ, Lucie. Bílkoviny ve výživě pro sportovce [online]. Brno, 2006 [cit. 2012-12-28]. Dostupné z: http://is.muni.cz/th/102319/fsps_b/Bakalarska_prace.doc. Bakalářská práce. Masarykova univerzita.

VLAS, Tomáš. Struktura bílkovin. [online]. 2009 [cit. 2012-12-26]. Dostupné z: http://projektalfa.ic.cz/

ROMANOVSKÝ, Alexej a kol. Obecná biologie. 1. vydání. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1985.






—————————————————————————

 Stáhnout práci v PDF  Upozornit na chybu

 Učebnice k maturitě  Maturitní kurzy

 Učebnice k VŠ přijímačkám  Kurzy na přijímačky

—————————————————————————

Další podobné materiály na webu: