変性（生化学）

生化学において、変性とは、タンパク質や核酸が、強酸や強塩基、高濃度の無機塩、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様々な要因により、天然の状態にある折り畳まれた構造を失う過程である。^[3]生細胞内のタンパク質が変性すると、細胞活動が中断され、細胞死が起こる可能性がある。タンパク質の変性も細胞死の結果である。[ ^{4] [5]変性したタンパク質は、立体}構造の変化や溶解性の低下、補因子の解離から疎水基の露出による凝集まで、幅広い特性を示す可能性がある。変性の結果としての溶解性の低下は、凝固と呼ばれる。^{[6]変性したタンパク質は}3D構造を失うため、機能できない。

適切なタンパク質の折り畳みは、球状タンパク質や膜タンパク質が正しく機能できるかどうかの鍵であり、機能するため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と補因子タンパク質結合はむしろ弱いため、熱、酸性度、塩分濃度の変化、キレート剤、およびタンパク質を変性させる可能性のあるその他のストレス要因の影響を受けやすいのです。これが、細胞の恒常性がほとんどの生命体で生理的に必要な理由の 1 つです。

食品を調理すると、タンパク質の一部が変性します。ゆで卵が固くなったり、調理した肉が硬くなったりするのはこのためです。

タンパク質の変性の典型的な例は卵白で、通常は大部分が水に溶けた卵白です。卵から出たばかりの卵白は透明で液体です。熱に不安定な卵白を調理すると不透明になり、相互に連結した固体の塊になります。^[7]変性化学物質を使用しても同じ変化が起こります。卵白をアセトンの入ったビーカーに注ぐと、卵白は半透明で固体になります。凝乳にできる皮も、変性した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菜は、生の魚や貝を酸性の柑橘類のマリネで化学的に「調理」して作られ、熱は加えません。^[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、さまざまな特性を示す可能性があります。

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、遺伝子のコドンによってコード化された RNA を「読み取り」 、遺伝的指示から必要なアミノ酸の組み合わせを組み立てるリボソームによって生成されます。このプロセスは翻訳と呼ばれます。新しく生成されたタンパク質鎖は、次に翻訳後修飾を受け、銅、亜鉛、鉄などの追加の原子または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 (時には自発的に、時には酵素の助けを借りて)、タンパク質の疎水性要素が構造の奥深くに埋め込まれ、親水性要素が外側に来るように、それ自体が丸まります。タンパク質の最終的な形状によって、タンパク質が環境とどのように相互作用するかが決まります。

タンパク質の折り畳みは、タンパク質内のかなりの量の弱い分子内相互作用（疎水性、静電的、およびファンデルワールス相互作用）とタンパク質-溶媒相互作用の間のバランスで構成されています。^[9]結果として、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、圧力、および関与する溶媒が含まれますが、これらに限定されません。 ^[9]その結果、極端なストレス（熱や放射線、高無機塩濃度、強酸および強塩基など）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る可能性があります。^[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機能を発揮できなくなります。これは、本来の状態では折り畳まれていないが、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、本質的に非構造化タンパク質とは対照的です。^[11]

• 四次構造の変性では、タンパク質サブユニットが解離し、タンパク質サブユニットの空間配置が破壊されます。
• 三次構造の変性には以下の破壊が伴います:
  • アミノ酸側鎖間の共有結合相互作用（システイン基間のジスルフィド結合など）
  • 極性アミノ酸側鎖（および周囲の溶媒）間の非共有結合性双極子-双極子相互作用
  • 非極性アミノ酸側鎖間のファンデルワールス（誘導双極子）相互作用。
• 二次構造の変性では、タンパク質はαヘリックスやβプリーツシートなどの規則的な繰り返しパターンをすべて失い、ランダムコイル構成をとります。
• 共有ペプチド結合によって保持されたアミノ酸配列などの一次構造は^{、変性によって破壊されない。 [12]}

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。例えば、酵素は、基質が活性部位に結合できなくなるため^{[13] 、また基質の}遷移状態を安定化す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。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し、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、遷移金属と選択された量の半金属に分類されます。^[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グループと複合体を形成したり、遊離チオールと結合したりします。^[14]重金属は、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、金属タンパク質と相互作用すると、重金属は主要な金属イオンを転位して置換することができます。^[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、変性は可逆的です（変性の影響が取り除かれると、タンパク質は元の状態に戻ります）。このプロセスは再生と呼ばれます。^[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、つまり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概念が生まれました。これは、いわゆる「アンフィンセンの 熱力学仮説」です。^[16]

変性は不可逆的であることもあります。この不可逆性は、通常、熱力学的不可逆性ではなく運動学的不可逆性です。これは、折りたたまれたタンパク質は、折りたたまれていないときよりも自由エネルギーが低いためです。運動学的不可逆性により、タンパク質が局所的最小値にとどまっているという事実は、不可逆的に変性した後、タンパク質が再び折りたたまれるのを止めることができます。^[17]

変性はpHの変化によっても引き起こされ、アミノ酸とその残基の化学反応に影響を及ぼす可能性があります。アミノ酸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、展開を誘発する可能性があります。^[18]酸誘導性の展開はpH 2〜5の間で起こることが多く、塩基誘導性の展開は通常pH 10以上を必要とします。^[18]

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。バックボーンの 5'-3' 合成に続いて、個々の窒素塩基は水素結合を介して互いに相互作用することができるため、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発生し、以前にアニールされた鎖が分離します。たとえば、高温による DNA の変性により、 塩基対が破壊され、二重鎖らせんが 2 つの単一鎖に分離します。核酸鎖は、「通常の」状態に戻ると再アニールできますが、回復が速すぎると、核酸鎖の再アニールが不完全になり、塩基のペアリングが不適切になる可能性があります。

DNAの複製、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と、DNA内の反平行鎖間の非共有結合相互作用が破壊され、二重らせんが「開く」ことがあります。 ^[19]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二重らせんの開放として定義できます。^[19]

変性バブルの熱力学を説明しようとした最初のモデルは1966年に導入され、ポーランド・シェラガモデルと呼ばれた。このモデルは、DNA鎖の変性を温度の関数として説明する。温度が上昇するにつれて、塩基対間の水素結合はますます乱れ、「変性ループ」が形成され始める。^{[20]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、ねじれなどの複雑な影響を考慮に入れていないため、現在では初歩的なものと考えられている。^[21]

最近の熱力学的研究では、単一の変性気泡の寿命は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。^[22]この情報は、DNAの複製と転写の確立された時間スケールに基づいています。 [ ^22]現在、^{[いつ? ]}変性気泡の熱力学的詳細をより完全に解明するために、生物物理学的および生化学的研究が行われています。^[22]

ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）はDNAの変性が望まれる最も一般的な状況の一つであり、加熱は変性の最も一般的な方法です。^[23]熱による変性以外にも、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薬品によって変性プロセスを経ることができます。[24] これらの化学変性剤は、既存の窒素塩基対と水素結合の供与体^および受容体を競合させることで、融点（T m ）を下げます_。一部の薬剤は室温でも変性を誘発することができます。例えば、アルカリ剤（例：NaOH）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でDNAを変性させることが示されています。 ^{[23]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）の製造に使用されています。^[25]

ホルムアミド変性核酸の光学活性（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、熱変性核酸のものと類似している。^{[24] [26] [27]}そのため、望ましい効果に応じて、化学的にDNAを変性させると、熱によって誘導される変性よりも穏やかな核酸変性手順となる。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、説明した他の物理的変性方法と比較して、より迅速な変性を提供できることが示されている。^[23]特に迅速な再生が望ましい場合、化学変性剤は加熱の理想的な代替手段となり得る。例えば、NaOHなどのアルカリ剤で変性したDNA鎖は、リン酸緩衝液を加えるとすぐに再生する。 ^[23]

空気中の主な気体である窒素や酸素などの小さな電気陰性分子は、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。^[28]これらの分子は、周囲の水素結合受容体と水素結合供与体をめぐって競合するため、「水素結合ブレーカー」として機能し、環境中の周囲の分子間の相互作用を弱めます。^{[28] DNA二重らせんの}反平行鎖は、塩基対間の水素結合によって非共有結合しています。^[29]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。^[30]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小さくなり、融点が低くなります。^[30]

多くの実験技術は、核酸鎖の分離能力に依存しています。核酸の変性特性を理解することで、以下の方法が開発されました。

• PCR
• サザンブロット
• ノーザンブロット
• DNA配列解析

酸性タンパク質変性剤には以下のものがあります。

• 酢酸^[31]
• トリクロロ酢酸12%水溶液
• スルホサリチル酸

塩基は変性において酸と同様に働きます。塩基には以下のものがあります。

• 重炭酸ナトリウム

ほとんどの有機溶媒は変性剤であり、以下を含む：^[要出典]

• エタノール

タンパク質の架橋剤には以下のものがある： ^[要出典]

• ホルムアルデヒド
• グルタルアルデヒド

カオトロピック剤には以下のものがある：^[要出典]

• 尿素6～8  mol/L
• グアニジニウム塩化物6 mol/L
• 過塩素酸リチウム4.5 mol/L
• ドデシル硫酸ナトリウム

還元によりジスルフィド結合を切断する薬剤には以下のものがある： ^[要出典]

• 2-メルカプトエタノール
• ジチオトレイトール
• TCEP (トリス(2-カルボキシエチル)ホスフィン)

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、酸化酸、オゾンなどの物質は、硫化物/チオール、活性化芳香族環（フェニルアラニン）などの敏感な部分と反応し、タンパク質を損傷して無効にします。

• 機械的撹拌
• ピクリン酸
• 放射線
• 温度^[32]

酸性核酸変性剤には以下のものがあります。

• 酢酸
• 塩酸
• 硝酸

基本的な核酸変性剤には以下のものがあります。

• 水酸化ナトリウム

その他の核酸変性剤には以下のものがあります。

• DMSO
• ホルムアミド
• グアニジン
• サリチル酸ナトリウム
• プロピレングリコール
• 尿素

• 熱変性
• ビーズミル
• プローブ超音波処理
• 放射線

• 変性アルコール
• 均衡の展開
• 固定（組織学）
• 溶融球
• タンパク質の折り畳み
• ランダムコイル

• McGraw-Hill オンライン学習センター — アニメーション: タンパク質の変性