לחלבונים רבים פעילות ביולוגית מוגדרת, הדורשת מבנה מרחבי מסוים. הידועים שבחלבונים אלה הם האנזימים. לאנזים אתר פעיל שבו מתרחשת הריאקציה שאותה הוא מזרז. האתר הפעיל מותאם לסובסטרט, דהיינו המולקולה עליה האנזים פועל, ולאופן הפעולה, בצורה מדויקת מבחינת מיקומן של חומצות האמינו במרחב. לפיכך, שינויים במבנה המרחבי של האתר הפעיל פוגעים בתפקודו התקין של האנזים. לחלבונים נוספים פעילות ביולוגית הדורשת קשירת מולקולות אחרות לאתר ספציפי, כגון נוגדנים וחלבוני הובלה כהמוגלובין. גם חלבונים אלה מאבדים מפעילותם כתוצאה מדנטורציה. אובדן הפעילות הביולוגית מנוצל לאיתור דנטורציה בחלבונים אלה, ואף למדידת עוצמתה. כך, כאשר חפצים בבדיקת הדנטורציה של אנזים, תיבדק כמות התוצר המופקת בחשיפתו של האנזים לסובסטרט שלו במשך זמן מוגדר. כמות תוצר אפסית יכולה להתפרש כביטוי לדנטורציה.
מסיסות.
במקרים רבים, חלבונים אשר מסיסים באופן טבעי בתמיסה מימית, מאבדים ממסיסותם ושוקעים כתוצאה מדנטורציה שלהם. הדבר קורה בשל תהליכים רבים המתרחשים תוך כדי הדנטורציה הגורמים לזיקה בין מולקולות חלבון שונות לגדול, בעוד הזיקה לתמיסה שסביבם קטנה. למשל, הדנטורציה חושפת חלקים הידרופוביים של החלבון לתמיסה ההידרופילית, דבר שאינו רצוי מבחינה אנרגטית. לכן, החלקים ההידרופוביים של חלבונים שונים מתקרבים האחד לשני, ויוצרים ביניהם אינטראקציות הידרופוביות, המקטינות את שטח הפנים ההידרופובי החשוף למים. כשחלבונים רבים מתקרבים זה לזה בצורה זו, הדבר גורם להצטברותם של החלבונים למשקעים בלתי-מסיסים. אך הסבר זה פשטני במקצת, ואובדן המסיסות מתרחש רק לאחר סדרה של שינויים רבים במבנה החלבון, ושינוי בתכונות רבות שלו. גם לאחר שינויים אלה לא מובטחת שקיעה של החלבון, והדבר תלוי בסוג החלבון הנבדק ובתנאי הבדיקה.
אובדן המסיסות מנוצל בתעשיית מוצרי החלב. בתהליך הפקתם של מוצרים כיוגורט וגבינה, מוכנסים לחלב חיידקים המבצעים תהליך של תסיסה, שבמהלכו מופקת חומצה לקטית. החומצה מורידה את ה-pH של החלב, וגורמת לדנטורציה של החלבונים שבו. החלבונים מאבדים ממסיסותם ושוקעים, וכך יוצרים את המרקם הסמיך של היוגורט. הפרדה בין הרכיב הנוזלי של החלב (מי חלב), לבין הרכיב המוצק שלו כתוצאה משקיעת החלבונים, מאפשרת את ייצור הגבינה. אותו תהליך מתרחש כשחלב מתקלקל ומחמיץ - חלבוני החלב יוצרים משקעים בחלב וגורמים למרקם לא אחיד ולגושים, הנוספים לטעם החמוץ שיוצרת החומצה הלקטית.
פירוק פרוטאוליטי.
דנטורציה עשויה להשפיע על רגישותו של החלבון לפירוק פרוטאוליטי, היינו לפעילותם של אנזימי עיכול. גם הגברת הרגישות לעיכול, כמו אובדן המסיסות, לא נזקפת לתהליך בודד, אלא היא תוצאה של שינויים רבים במבנה החושפים חלקים רגישים לפירוק לפני השטח (כשלפני כן היו בחלקים הפנימיים של החלבון), וגורמים להגברת רגישותם של חלקים אחרים. בכל אופן כמו שהוזכר, עובדה זו מנוצלת בקיבה, כאשר הסביבה החומצית גורמת לדנטורציה של החלבונים הנכנסים לקיבה, כך שרגישותם לאנזימי העיכול גדלה. כך הפעילות הפרוטאוליטית מואצת, ופירוק החלבונים נעשה יעיל יותר. גם לתכונה זו שימוש באיתור דנטורציה - חשיפת החלבון לאנזימי עיכול גורמת לפירוק מואץ וטוב יותר של חלבונים דנטורטיביים.
דנטורציה חלקית ורנטורציה.
תהליך הדנטורציה יכול להתרחש במספר רמות. הוא יכול להתרחש כדנטורציה מלאה, המביאה את החלבון לידי קריסה כללית כפי שתואר קודם לכן. אולם יכול להתרחש גם תהליך מתון יותר - דנטורציה חלקית. בדנטורציה חלקית התנאים אינם כה קיצוניים כדי להביא לקריסת המבנה במלואו, אבל הם כן גורמים לשינוי מבני כלשהו עקב היחלשות האינטראקציות הטבעיות. שינוי קטן זה פוגם גם הוא בפעילות החלבון. כאשר מתקיימת דנטורציה חלקית בתנאים תאיים (in vivo), אנו מוצאים כי בתוך דקות ספורות מרגע התרחשות הדנטורציה, החלבון חוזר לתפקודו התקין. מתרחש אפוא התהליך ההפוך - רנטורציה (renaturation) או התקפלות מחדש. הרנטורציה מתרחשת משום שהמבנה הטבעי של החלבון הוא המבנה היציב ביותר, ולכן הוא נוצר ספונטנית. דנטורציה מלאה גוררת היווצרות אינטראקציות חדשות ואקראיות רבות בין שיירי חומצות האמינו אשר לא מאפשרות רנטורציה בתנאים פיזיולוגיים. למרות זאת, תחת תנאי מעבדה (in vitro), ניתן לגרום לדנטורציה קיצונית על ידי החומרים הדנטורטיביים שהוזכרו לעיל, שלאחריה החלבון חוזר למבנה ותפקוד תקינים.
דנטורציה של חומצות גרעין.
מבנה ה-DNA.
DNA היא חומצת גרעין המורכבת מתת-יחידות הקרויות נוקלאוטידים. קיימים ארבעה סוגי נוקלאוטידים ב-DNA, הנבדלים אלו מאלו בבסיס החנקני הקיים בהם: אדנין (A), תימין (T), ציטוזין (C), וגואנין (G). הנוקלאוטידים קשורים זה לזה בשרשרת (או גדיל) כשהבסיסים החנקניים פונים החוצה. מולקולת ה-DNA בנויה משני גדילים כאלה הקשורים זה לזה בקשרים בין-מולקולריים, בעיקר קשרי מימן ואינטראקציות פאי ארומטיות, המתקיימים בין הבסיסים החנקניים. קשרי המימן נוצרים בין זוגות בסיסים ספציפיים, בין A ל-T או בין G ל-C בלבד. בין אדנין לתימין מתקיימים שני קשרי מימן, ואילו בין גואנין לציטוזין מתקיימים שלושה קשרי מימן. לכן מולקולת DNA שכמות הזוגות G ו-C בה גדולה יותר, נחשבת לחזקה יותר. בשל הספציפיות של קשרי המימן, קיימת השלמה בין שני הגדילים של מולקולת DNA, ורצף הבסיסים בגדיל אחד משלים בדיוק לרצף הבסיסים של הגדיל הנגדי – במקום שבגדיל אחד מצוי A, בגדיל המשלים מצוי T וכן הלאה.
מכיוון שהקשרים החלשים בין הגדילים, ובעיקר הקשרים הפאי-ארומטיים, מעניקים למולקולה יציבות תרמודינמית, DNA חד גדילי נוטה להזדווג וליצור קשרים עם גדיל DNA המשלים לו. ככל שההשלמה בין הרצפים גדולה יותר, כן הקשר ביניהם הדוק יותר, שהרי יותר קשרים נוצרים.
דנטורציה ורנטורציה של DNA.
דנטורציה של DNA (המכונה גם התכה) משמעה ניתוק הקשרים הבין-מולקולריים בין שני הגדילים ויצירת מולקולות של DNA חד-גדילי. התהליך ההפוך, בו נוצרים קשרים בין שני גדילי DNA ונוצרת מולקולת DNA דו-גדילית, קרוי רנטורציה או זיווג מחדש. תהליכים אלו עשויים להתרחש לא רק בין שני גדילי DNA אלא גם בין DNA ל-RNA, חומצת גרעין אחרת, בעלת מבנה הדומה ל-DNA חד-גדילי.
קיימות שתי דרכים עיקריות הגורמות לדנטורציה של DNA: חימום, וחשיפה לבסיסים חזקים.
חימום.
חימומה של תרכובת גורמת להגברת קצב תנועת האטומים ממנה היא מורכבת. תנועה מוגברת של המולקולה מובילה להחלשה של קשרים לא קוולנטיים שהיא מכילה, כגון קשרי המימן במולקולת ה-DNA. העלאת טמפרטורת התמיסה בה מצויות מולקולות DNA תגרום משום כך להחלשת הקשרים בין הגדילים, ומעבר לטמפרטורה מסוימת תגרום להפרדת הגדילים זה מזה ולדנטורציה. ההפרדה מתרחשת בטמפרטורות שבקרבת 100 מעלות צלזיוס, ותלויה ביציבותה האנרגטית של המולקולה טרם החימום, היינו במספר היחסי של קשרי המימן שבה. ככל שהכמות היחסית של זוגות הבסיסים G-C לעומת A-T גבוהה יותר, כמותם של קשרי המימן ליחידת אורך במולקולה עולה, ועל כן טמפרטורת ההתכה של ה-DNA תהיה גבוהה יותר. בנוסף, אם הרצפים בשני הגדילים אינם משלימים במדויק זה לזה, טמפרטורת ההתכה של המולקולה יורדת, כשככל שרמת ההשלמה נמוכה יותר, הגדילים יפרמו בטמפרטורה נמוכה יותר.
קירור איטי של הגדילים לאחר החימום מאפשר לקשרים הלא-קוולנטיים לשוב ולהיווצר. הדבר מוביל לרנטורציה, והגדילים מזדווגים מחדש על פי רצפי הבסיסים שלהם. קירור מהיר לעומת זאת, לא מאפשר רנטורציה וה-DNA נותר חד גדילי.
בסיס.
נוכחותם של בסיסים חזקים בתמיסה מעלה את ה-pH שלה. בדומה למצב בחלבונים, pH גבוה גורם ליינון של מולקולות בתמיסה, ובכך ליצירת מטען חשמלי על אותן מולקולות. לכן, בחשיפת DNA לבסיס חזק דוגמת נתרן הידרוקסידי (NaOH), הבסיס יגרום ליינון של מולקולות ה-DNA. היינון יוצר מטענים שווים בשני הגדילים, אשר דוחים זה את זה. כשה-pH גבוה דיו, הדחייה החשמלית גורמת לניתוק הקשרים בין הגדילים ולהתרחקותם אחד מן השני, ולמעשה לדנטורציה.
לעיתים בשיטות מחקריות לדנטורציה על ידי בסיס יתרון על פני דנטורציה בחימום. ראשית, ישנן שיטות בהן לאחר הדנטורציה קושרים את הגדילים הבודדים למשטח ניטרוצלולוזה או ניילון, ובסיס מסייע בביצוע קשירה זו. שנית, בסיס עשוי לסייע בהרחקת שאריות RNA מהתמיסה, כשאלה קיימות.
ניתן לבצע דנטורציה לDNA באמצעות חומרים דנטורטיבים כמו אוראה. חומרים אלו מתחרים על קישרי המימן שמייצבים את הסליל ושוברים אותם.
שימושי הדנטורציה בחומצות גרעין.
לדנטורציה ולרנטורציה של DNA חשיבות גדולה במחקר מעבדתי, כששיטות בסיסיות בהנדסה גנטית מסתמכות על שני תהליכים אלו. לשיטות אלו יישומים מעבר למחקר הגנטי, למשל במחקר האבולוציוני או ביישומים רפואיים.
היברידיזציה.