Холодовая денатурация

"Xолодовая" денатурация была впервые обнаружена П.Л. Приваловым и его сотрудниками. Она,  как и обычная тепловая денатурация,  происходит как переход типа "все или ничего". Причина "холодовой" денатурации состоит в том, что гидрофобные взаимодействия, которые удерживают белок в компактном состоянии, сильно растут с температурой . Рост гидрофобных эффектов   и, в частности, их энергии  с температурой проявляется в относительно высокой теплоемкости денатурированного, менее компактного состояния белка (рис. 15.11).

Рис.15.11. Обратимая "холодовая" денатурация белка апомиоглобина при аномальном понижении температуры (нижняя кривая; стрелка показывает, что температура в ходе опыта понижается). Верхняя кривая показывает ренатурацию белка (левый пик) при обратном повышении температуры и его дальнейшую денатурацию (правый пик). Кривые относятся к избыточной теплоемкости раствора белка по сравнению с теплоемкостью растворителя; они не нормированы на количество белка в растворе

В результате теплота плавления белка сильно растет с температурой  и падает с ее понижением. Она падает до того, что может изменить знак при низких температурах. То есть, если обычно более упорядоченная структура (нативный белок) имеет более низкую энергию, чем менее упорядоченная (денатурированный белок)  –  то при аномально низких температурах (~10ºС и ниже) энергия нативного белка может быть выше, чем денатурированного. То же самое происходит и с энтропией денатурации: она, как и положено энтропии гидрофобного эффекта, тоже падает с уменьшением температуры. В результате стабильность белка (разность свободных энергий его нативной и денатурированных форм) проходит через максимум при "комнатных" или нулевых температурах и начинает уменьшаться при более значительном охлаждении. При этом иногда стабильность белка падает до того, что при аномально низкой температуре (0ºС) белок разваливается. На практике обычно дело до этого не доходит, т.к. вода с белком замерзает, и все процессы крайне замедляются (что, кстати, позволяет хранить белок на холоду).

Парадоксально, но при холодовой денатурации белка дело обстоит в точности так, как при кипении воды. Как известно, кипения можно добиться двумя путями  – либо подняв температуру, либо понизив внешнее давление. Гидрофобное давление, сжимающее белковую цепь, сильно падает при уменьшении температуры  и белок может "закипеть".

Важно отметить, что холодовая денатурация экспериментально наблюдается у белков, у которых нативная глобулярная (плотно упакованная) структура частично ослаблена. К этим белкам относится уже упоминавшийся апомиоглобин, структура которого частично «распушена» удалением гемовой группы. Именно эти, малостабильные белки, демонстрируют холодовую денатурацию, при которой молекула теряет свою структуру, образуя клубок.