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タンパク質または核酸の本来の二次構造、三次構造、および／または四次構造の部分的または全体的な変化によって生物活性が失われるプロセス。
注2：タンパク質や核酸は、高温や極端なpH、あるいは生理的濃度以外の塩、有機溶媒、尿素、その他の化学物質にさらされると変性することがあります。
生化学では、変性とは、タンパク質や核酸が、強酸や強塩基、濃縮無機塩、有機溶媒（アルコールやクロロホルムなど）、撹拌、放射線、熱などの外部ストレスや化合物の適用を含むさまざまな要因により、天然状態に存在する折り畳まれた構造を失うプロセスです。[ 3 ]生細胞内のタンパク質が変性すると、細胞活動が阻害され、場合によっては細胞死に至ります。タンパク質の変性は、細胞死の結果でもあります。[ 4 ] [ 5 ]変性したタンパク質は、立体構造の変化や溶解性の喪失、補因子の解離から、疎水性基の露出による凝集まで、幅広い特性を示す可能性があります。変性の結果として溶解性が失われることを凝固と呼びます。[ 6 ]変性すると、タンパク質、例えば金属酵素は、 3D構造や金属補因子を失い、機能できなくなります。
タンパク質の適切な折り畳みは、球状タンパク質や膜タンパク質が正しく機能するために不可欠です。機能するには、本来の形状に折り畳まれなければなりません。しかし、折り畳みに重要な役割を果たす水素結合や補因子とタンパク質の結合は比較的弱いため、熱、酸性度、塩濃度の変化、キレート剤、その他のストレス要因によって容易に影響を受け、タンパク質が変性してしまう可能性があります。これが、ほとんどの生物において細胞の恒常性が生理学的に必要とされる理由の一つです。
食品を加熱調理すると、一部のタンパク質が変性します。ゆで卵が固くなったり、肉がしっかり固くなったりするのはそのためです。
タンパク質の変性の典型的な例は卵白で、通常は水に溶けた卵白アルブミンが大部分を占めています。卵から取り出したばかりの卵白は透明で液体です。熱に不安定な卵白を加熱すると不透明になり、互いに連結した固形物になります。[ 7 ]同様の変化は変性剤でも起こせます。卵白をアセトンの入ったビーカーに注ぐと、卵白は半透明で固形になります。凝固した牛乳の表面にできる膜も、変性タンパク質の一般的な例です。セビーチェとして知られる冷製前菜は、生の魚介類を酸性の柑橘系のマリネ液で加熱せずに化学的に「調理」して作られます。[ 8 ]
変性したタンパク質は、溶解性の低下からタンパク質の凝集まで、幅広い特性を示す可能性がある。
タンパク質、またはポリペプチドはアミノ酸のポリマーです。タンパク質は、リボソームが遺伝子内のコドンによってコード化されたRNAを「読み取り」 、遺伝情報から必要なアミノ酸の組み合わせを組み立てる翻訳と呼ばれるプロセスによって作られます。新しく作られたタンパク質鎖は、その後、翻訳後修飾を受け、銅、亜鉛、鉄などの原子や分子が追加されます。この翻訳後修飾プロセスが完了すると、タンパク質は折り畳まれ始めます（自然に折り畳まれる場合もあれば、酵素の助けを借りる場合もあります）。タンパク質は、疎水性要素が構造の奥深くに埋もれ、親水性要素が外側に出るように、自身に巻き込まれます。タンパク質の最終的な形状によって、周囲環境との相互作用が決まります。
タンパク質の折り畳みは、タンパク質内部のかなりの量の弱い分子内相互作用（疎水性相互作用、静電相互作用、ファンデルワールス相互作用）とタンパク質-溶媒相互作用とのバランスによって成り立っています。[ 9 ]その結果、このプロセスはタンパク質が存在する環境状態に大きく依存します。[ 9 ]これらの環境条件には、温度、塩分濃度、圧力、および関与する溶媒などが含まれますが、これらに限定されません。[ 9 ]したがって、極端なストレス（例えば、熱や放射線、高濃度の無機塩、強酸や強塩基）にさらされると、タンパク質の相互作用が破壊され、必然的に変性につながります。[ 10 ]
タンパク質が変性すると、二次構造と三次構造は変化しますが、アミノ酸間の一次構造のペプチド結合はそのまま残ります。タンパク質のすべての構造レベルがその機能を決定するため、タンパク質は変性するともはやその機能を果たすことができなくなります。これは、天然状態では折り畳まれていないものの、機能的に活性であり、生物学的標的に結合すると折り畳まれる傾向がある、本質的に構造を持たないタンパク質とは対照的です。[ 11 ]
ほとんどの生物学的基質は変性すると生物学的機能を失います。たとえば、酵素は基質が活性部位に結合できなくなるため、また基質の遷移状態を安定化させるアミノ酸残基が結合できる位置になくなるため、活性を失います[ 13 ] 。変性プロセスとそれに伴う活性の喪失は、二重偏光干渉法、CD、QCM-D、MP-SPRなどの技術を使用して測定できます。
重金属はタンパク質を標的とすることで、タンパク質の機能や活性を阻害することが知られています。[ 14 ]重金属は、遷移金属と一部のメタロイドからなるカテゴリーに分類されます。[ 14 ]これらの金属は、天然の折り畳まれたタンパク質と相互作用すると、その生物学的活性を阻害する役割を果たす傾向があります。[ 14 ]この干渉は、さまざまな方法で実行できます。これらの重金属は、タンパク質に存在する機能的な側鎖基と複合体を形成したり、遊離チオールと結合したりすることができます。[ 14 ]重金属はまた、タンパク質に存在するアミノ酸側鎖を酸化する役割も果たします。[ 14 ] これに加えて、重金属はメタロタンパク質と相互作用すると、重要な金属イオンを転位させて置き換えることができます。[ 14 ]その結果、重金属は折り畳まれたタンパク質に干渉し、タンパク質の安定性と活性を強く阻害する可能性があります。
多くの場合、変性は可逆的である（変性作用が取り除かれると、タンパク質は元の状態に戻ることができる）。この過程は再自然化と呼ばれる。[ 15 ]この理解から、タンパク質が元の状態になるために必要なすべての情報は、タンパク質の一次構造、ひいてはそのタンパク質をコードするDNAにコード化されているという考え、いわゆる「アンフィンセンの熱力学的仮説」が生まれた。[ 16 ]
変性は不可逆的である場合もある。この不可逆性は、一般的に折り畳まれたタンパク質は折り畳まれていない状態よりも自由エネルギーが低いため、熱力学的不可逆性ではなく、速度論的不可逆性である。速度論的不可逆性により、タンパク質が局所的最小値に固定されてしまうため、不可逆的に変性した後は二度と折り畳まれなくなる可能性がある。[ 17 ]
変性は、アミノ酸とその残基の化学に影響を与えるpHの変化によっても引き起こされる可能性があります。アミノ酸中のイオン化可能な基は、pHの変化が起こるとイオン化することができます。より酸性またはより塩基性の条件へのpHの変化は、アンフォールディングを誘発する可能性があります。[ 18 ]酸誘発アンフォールディングはpH 2～5の間でよく起こり、塩基誘発アンフォールディングは通常pH 10以上を必要とします。[ 18 ]
タンパク質が折り畳まれるとき、疎水性部分が内側（水から遠ざかる側）に、親水性部分が外側（水と接触する側）になるように折り畳まれます。これにより、沈殿しない程度に溶解します。しかし、変性すると、タンパク質の表面は部分的に疎水性で部分的に親水性になります（疎水性部分を隠す「内側」がなくなるため）。その結果、水に不溶性になります。変性したタンパク質の疎水性部分は互いにくっつき、ネットワーク（ゲル）を形成します。これを凝固と呼びます。[ 19 ]
変性したタンパク質の凝固が、卵が調理時に固まる理由です。[ 19 ]牛乳に酸を加えると、タンパク質のカゼインが変性し、（牛乳中の脂肪と水分とともに）凝乳になり、これがチーズ作りの最初のステップです。[ 19 ]ただし、牛乳は、例えばキモシンなどの酵素を加えることによっても凝固させることができます（つまり、カゼインを凝固させます）。[ 20 ]
核酸（RNAおよびDNAを含む）は、転写またはDNA複製中にポリメラーゼ酵素によって合成されるヌクレオチドポリマーです。5'-3'方向の骨格合成後、個々の窒素塩基は水素結合を介して相互作用することができ、それによって高次構造の形成が可能になります。核酸の変性は、ヌクレオチド間の水素結合が破壊されたときに起こり、以前にアニーリングしていた鎖の分離をもたらします。例えば、高温によるDNAの変性は、 塩基対の破壊と二本鎖らせんの二本の一本鎖への分離をもたらします。核酸鎖は「正常な」状態に戻ると再アニーリングすることができますが、回復が速すぎると、核酸鎖の再アニーリングが不完全になり、塩基の不適切なペアリングが生じる可能性があります。
DNAの逆平行鎖間の非共有結合相互作用は、 DNA複製、転写、DNA修復、タンパク質結合などの生物学的に重要なメカニズムが発生する際に、二重らせんを「開く」ために切断されることがあります。 [ 21 ]部分的に分離されたDNAの領域は変性バブルとして知られており、より具体的には、塩基対の協調的な分離によるDNA二重らせんの開口として定義できます。[ 21 ]
変性バブルの熱力学を記述しようとした最初のモデルは1966年に発表され、ポーランド・シェラガモデルと呼ばれた。このモデルは、温度の関数としてDNA鎖の変性を記述する。温度が上昇すると、塩基対間の水素結合がますます乱され、「変性ループ」が形成され始める。[ 22 ]しかし、ポーランド・シェラガモデルは、 DNA配列、化学組成、剛性、ねじれの複雑な影響を考慮できないため、現在では初歩的なものと考えられている。[ 23 ]
最近の熱力学的研究では、単一の変性バブルの寿命は 1 マイクロ秒から 1 ミリ秒の範囲であると推測されています。[ 24 ]この情報は、確立された DNA 複製および転写の時間スケールに基づいています。[ 24 ]現在、変性バブルの熱力学的詳細をより完全に解明するために、生物物理学および生化学の研究が行われています。[ 24 ]
ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）は、DNA変性が必要とされる最も一般的な状況の1つであり、加熱は最も一般的な変性方法です。[ 25 ]熱による変性の他に、核酸は、ホルムアミド、グアニジン、サリチル酸ナトリウム、ジメチルスルホキシド（DMSO）、プロピレングリコール、尿素などのさまざまな化学剤によって変性プロセスを受けることができます。[ 26 ]これらの化学的変性剤は、既存の窒素塩基対と水素結合供与体および受容体をめぐって競合することにより、融解温度（Tm）を低下させます。一部の薬剤は、室温で変性を誘発することもできます。たとえば、アルカリ剤（NaOHなど）は、 pHを変化させ、水素結合に寄与するプロトンを除去することによってDNAを変性することが示されています。[ 25 ]これらの変性剤は、核酸の形状が電気泳動移動度に及ぼす影響を排除するために核酸の変性を促進する変性勾配ゲル電気泳動ゲル（DGGE）を作成するために使用されてきた。[ 27 ]
ホルムアミドで変性させた核酸の光学活性（光の吸収と散乱）と流体力学的特性（並進拡散、沈降係数、回転相関時間）は、熱で変性させた核酸のものと類似している。[ 26 ] [ 28 ] [ 29 ]したがって、目的とする効果に応じて、DNAを化学的に変性させることで、熱による変性よりも穏やかな方法で核酸を変性させることができる。加熱、異なるビーズサイズのビーズミル、プローブ超音波処理、化学変性などのさまざまな変性方法を比較した研究では、化学変性は、説明されている他の物理的変性方法と比較して、より迅速な変性をもたらすことが示されている。[ 25 ]特に、迅速な再自然化が望ましい場合、化学変性剤は加熱の理想的な代替手段となる。たとえば、NaOHなどのアルカリ剤で変性させたDNA鎖は、リン酸緩衝液を加えるとすぐに再自然化する。[ 25 ]
空気中の主要な気体である窒素や酸素などの小さく電気陰性度の高い分子は、周囲の分子が水素結合に参加する能力に大きな影響を与えます。[ 30 ]これらの分子は、水素結合供与体を求めて周囲の水素結合受容体と競合するため、「水素結合破壊剤」として働き、環境中の周囲の分子間の相互作用を弱めます。[ 30 ] DNA二重らせんの逆平行鎖は、塩基対間の水素結合によって非共有結合しています。[ 31 ]そのため、窒素と酸素は、空気にさらされるとDNAの完全性を弱める可能性があります。[ 32 ]その結果、空気にさらされたDNA鎖は分離するのに必要な力が少なくなり、融解温度が低くなります。[ 32 ]
多くの実験手法は、核酸鎖が分離する性質に依存している。核酸変性の特性を理解することで、以下の方法が開発された。
酸性タンパク質変性剤には以下が含まれる。
塩基は変性において酸と同様の働きをする。塩基には以下のようなものがある。
ほとんどの有機溶媒は変性作用があり、以下のようなものが含まれる。
タンパク質の架橋剤には以下のようなものがある。
カオトロピック剤には以下が含まれる：
還元によってジスルフィド結合を切断する薬剤には、以下のようなものがある。
過酸化水素、元素塩素、次亜塩素酸（塩素水）、臭素、臭素水、ヨウ素、硝酸、酸化性酸、オゾンなどの薬剤は、硫化物/チオール、活性化芳香環（フェニルアラニン）などの敏感な部分と反応し、結果としてタンパク質を損傷して機能しなくします。
酸性核酸変性剤には以下が含まれる。
基本的な核酸変性剤には以下が含まれる。
その他の核酸変性剤には以下が含まれる。
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