Denaturering innebär att göra ett ämne ineffektivt för något ändamål utan att ändra dess kemiska sammansättning. Termen har ett antal mer specifika betydelser, men används oftast i samband med proteiner och nukleinsyror. Dessa består av kedjeliknande molekyler som kan vikas över på olika sätt för att bilda komplexa tredimensionella former. Länkarna i kedjorna hålls samman av starka kovalenta bindningar, men vecken härrör från en mängd olika bindningstyper som vanligtvis är svagare och som kan brytas av värme och av olika kemiska medel. Molekylerna sägs ha denaturerats när några eller alla dessa bindningar har brutits, vilket gör att de tappar sin form, men lämnar kedjorna intakta och den kemiska sammansättningen oförändrad.
Protein och nukleinsyrastruktur
Proteiner består av aminosyror och är organiserade på flera olika strukturella nivåer. Den primära strukturen är helt enkelt sekvensen av aminosyrabyggstenar som definierar proteinet. Dessa byggstenar hålls samman av kovalenta bindningar som kallas peptidbindningar. De sekundära, tertiära och kvartära strukturerna beskriver de tredimensionella arrangemangen av proteinsubenheter, hela proteiner och proteinkomplex. Dessa strukturer är resultatet av kedjor av aminosyrabyggstenar som viker sig över sig själva, på grund av bildandet av olika typer av relativt svaga bindningar mellan enheter i olika delar av kedjan.
Den sekundära strukturen är resultatet av vätebindning mellan en väteatom i en aminosyraenhet och en syreatom från en annan. Detta kan ge en lindad eller en arkliknande formation, eller en kombination av båda. Den tertiära strukturen är resultatet av bindningar som bildas mellan dessa spolar och ark, vilket ger en tredimensionell proteinenhet. Den kvartära strukturen bildas genom bindning av två eller flera av dessa enheter.
Tertiära och kvartära strukturer hålls samman av en mängd olika typer av bindningar, inklusive vätebindningar. Kovalenta disulfidbindningar mellan svavelatomerna i två aminosyraenheter kan också bildas. ”Saltbryggor” bildas när motsatt laddade delar av molekyler attraherar varandra på ett liknande sätt som de jonbindningar som finns i salter.
Denaturering påverkar i allmänhet inte den primära strukturen, men den orsakar nedbrytning av de komplexa tredimensionella arrangemangen av proteinerna. De flesta proteinfunktioner härrör från kemiska egenskaper som härrör från de tredimensionella arrangemangen av aminosyrakedjorna, så nedbrytning av sådana strukturer resulterar i allmänhet i en förlust av proteinfunktion. Enzymer är en viktig klass av proteiner där formerna på molekylerna är avgörande för deras funktioner.
Nukleinsyror, såsom DNA och RNA, har två strängar byggda av enheter som kallas baser. Strängarna är sammanbundna till en dubbelspiralform genom vätebindningar mellan baser på motsatta sidor. Under denaturering separeras strängarna genom att dessa bindningar bryts.
Orsaker till denaturering
Ett antal faktorer kan orsaka att proteiner och nukleinsyror denaturerar. Uppvärmning får molekyler att vibrera kraftigare, vilket kan leda till att bindningar bryts, särskilt svagare. Många proteiner kommer att denatureras om de värms upp till temperaturer över 105.8°F (41°C), på grund av att vätebindningar bryts. Ett välbekant exempel är förändringen som sker i äggvitan när den värms upp: proteinet albumin denatureras och förvandlas från en genomskinlig gel till en vit fast substans. Proteiner denatureras också när mat tillagas, en process som dödar skadliga mikroorganismer.
Denaturering kan också orsakas av olika kemiska medel. Starka syror och baser interagerar på grund av sin joniska natur med saltbryggorna som hjälper till att hålla ihop de tertiära strukturerna hos proteiner. Positivt och negativt laddade delar av dessa föreningar attraheras till de motsatt laddade delarna av en proteinsaltbrygga, vilket bryter länken mellan de olika delarna av proteinkedjan. Salterna av vissa metaller kan också ha denna effekt.
Kovalenta disulfidbindningar kan också brytas, vilket leder till denaturering. Föreningar av vissa tungmetaller, som bly, kvicksilver och kadmium, kan göra detta, eftersom de binder lätt med svavel. Svavel-svavelbindningen kan också brytas när varje svavelatom binder med en väteatom. Vissa reduktionsmedel ger denna effekt.
Olika organiska lösningsmedel kan också ha en denaturerande effekt genom att bryta vätebindningarna mellan aminosyror som upprätthåller den tertiära strukturen. Ett exempel är etanol, vanligen kallad alkohol. Den bildar sina egna vätebindningar med delar av proteinmolekyler och ersätter de ursprungliga.
Denaturerad sprit
Termen ”denaturering” används ibland för att hänvisa till processen att göra mat eller dryck oätlig men fortfarande användbar för någon funktion förutom konsumtion. Det vanligaste exemplet på detta är denaturerad alkohol, även kallad denaturerad sprit. Produkten används ofta som lösningsmedel eller bränsle och skatter som läggs på alkohol för att dricka kan undvikas när den används för andra ändamål om den görs odrickbar. Alkoholen i sig är inte kemiskt förändrad, men tillsatser, vanligtvis metanol, gör den giftig.