Что такое растворимость белков чем она обусловлена

Что такое растворимость белков чем она обусловлена

§ 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Белки – это очень крупные молекулы, по своим размерам они могут уступать только отдельным представителям нуклеиновых кислот и полисахаридам. В таблице 4 представлены молекулярные характеристики некоторые белков.

Молекулярные характеристики некоторых белков

Относитель-ная молекулярная масса

Число аминокислотных остатков

Зная относительную молекулярную массу белка, можно приблизительно оценить, какое число аминокислотных остатков входит в его состав. Средняя относительная молекулярная масса аминокислот, образующих полипептидную цепь, равна 128. При образовании пептидной связи происходит отщепление молекулы воды, следовательно, средняя относительная масса аминокислотного остатка составит 128 – 18 = 110. Используя эти данные, можно подсчитать, что белок с относительной молекулярной массой 100000 будет состоять приблизительно из 909 аминокислотных остатков.

Электрические свойства белковых молекул

Электрические свойства белков определяются присутствием на их поверхности положительно и отрицательно заряженных аминокислотных остатков. Наличие заряженных группировок белка определяет суммарный заряд белковой молекулы. Если в белках преобладают отрицательно заряженные аминокислоты, то его молекула в нейтральном растворе будет иметь отрицательный заряд, если преобладают положительно заряженные – молекула будет иметь положительный заряд. Суммарный заряд белковой молекулы зависит и от кислотности (рН) среды. При увеличении концентрации ионов водорода (увеличении кислотности) происходит подавление диссоциации карбоксильных групп:

и в то же время увеличивается число протонированных амино-групп;

Таким образом, при увеличении кислотности среды происходит уменьшение на поверхности молекулы белка числа отрицательно заряженных и увеличение числа положительно заряженных групп. Совсем другая картина наблюдается при снижении концентрации ионов водорода и увеличении концентрации гидроксид-ионов. Число диссоциированных карбоксильных групп возрастает

и снижается число протонированных аминогрупп

Итак, изменяя кислотность среды, можно изменить и заряд молекулы белка. При увеличении кислотности среды в молекуле белка снижается число отрицательно заряженных группировок и увеличивается число положительно заряженных, молекула постепенно теряет отрицательный и приобретает положительный заряд. При снижении кислотности раствора наблюдается противоположная картина. Очевидно, что при определенных значениях рН молекула будет электронейтральной, т.е. число положительно заряженных групп будет равно числу отрицательно заряженных групп, и суммарный заряд молекулы будет равен нулю (рис. 14).

Значение рН, при котором суммарный заряд белка равен нулю, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI.

Рис. 14. В состоянии изоэлектрической точки суммарный заряд молекулы белка равен нулю

Изоэлектрическая точка для большинства белков находится в области рН от 4,5 до 6,5. Однако есть и исключения. Ниже приведены изоэлектрические точки некоторых белков:

При значениях рН ниже изоэлектрической точки белок несет суммарный положительный заряд, выше – суммарный отрицательный.

Растворимость белков

Рис. 15. Образование гидратной оболочки вокруг молекулы белка.

На растворимость белка влияет наличие нейтральных солей (Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄ и др.) в растворе. При малых концентрациях солей растворимость белка увеличивается (рис. 16), так как в таких условиях увеличивается степень диссоциации полярных групп и экранируются заряженные группы белковых молекул, тем самым снижается белок-белковое взаимодействие, способствующее образованию агрегатов и выпадению белка в осадок. При высоких концентрациях солей растворимость белка снижается (рис. 16) вследствие разрушения гидратной оболочки, приводящего к агрегации молекул белка.

Рис. 16. Зависимость растворимости белка от концентрации соли

Существуют белки, которые растворяются только в растворах солей и не растворяются в чистой воде, такие белки называют глобулины. Существуют и другие белки – альбумины, они в отличие от глобулинов хорошо растворимы в чистой воде.
Растворимость белков зависит и от рН растворов. Как мы уже отмечали, минимальной растворимостью обладают белки в изоэлектрической точке, что объясняется отсутствием электростатического отталкивания между молекулами белка.
При определенных условиях белки могут образовывать гели. При образовании геля молекулы белка формируют густую сеть, внутреннее пространство которой заполнено растворителем. Гели образуют, например, желатина (этот белок используют для приготовления желе) и белки молока при приготовлении простокваши.
На растворимость белка оказывает влияние и температура. При действии высокой температуры многие белки выпадают в осадок вследствие нарушения их структуры, но об этом более подробно поговорим в следующем разделе.

Денатурация белка

Рис. 17. Денатурация белка

При денатурации гидрофобные радикалы аминокислот, находящиеся в нативных белках в глубине молекулы, оказываются на поверхности, в результате создаются условия для агрегации. Агрегаты белковых молекул выпадают в осадок. Денатурация сопровождается потерей биологической функции белка.

Денатурация белка может быть вызвана не только повышенной температурой, но и другими факторами. Кислоты и щелочи способны вызвать денатурацию белка: в результате их действия происходит перезарядка ионогенных групп, что приводит к разрыву ионных и водородных связей. Мочевина разрушает водородные связи, следствием этого является потеря белками своей нативной структуры. Денатурирующими агентами являются органические растворители и ионы тяжелых металлов: органические растворители разрушают гидрофобные связи, а ионы тяжелых металлов образуют нерастворимые комплексы с белками.

Наряду с денатурацией существует и обратный процесс – ренатурация. При снятии денатурирующего фактора возможно восстановление исходной нативной структуры. Например, при медленном охлаждении до комнатной температуры раствора восстанавливается нативная структура и биологическая функция трипсина.

Белки могут денатурировать и в клетке при протекании нормальных процессов жизнедеятельности. Совершенно очевидно, что утрата нативной структуры и функции белков – крайне нежелательное событие. В связи с этим следует упомянуть об особых белках – шаперонах. Эти белки способны узнавать частично денатурированные белки и, связываясь с ними, восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны также узнают белки, процесс денатурации которых зашел далеко, и транспортируют их в лизосомы, где происходит их расщепление (деградация). Шапероны играют важную роль и в процессе формирования третичной и четвертичной структур во время синтеза белка.

Интересно знать! В настоящее время часто упоминается такое заболевание, как коровье бешенство. Эту болезнь вызывают прионы. Они могут вызывать у животных и человека и другие заболевания, носящие нейродегенеративный характер. Прионы – это инфекционные агенты белковой природы. Прион, попадая в клетку, вызывает изменение конформации своего клеточного аналога, который сам становится прионом. Так возникает заболевание. Прионный белок отличается от клеточного по вторичной структуре. Прионная форма белка имеет в основном b-складчатую структуру, а клеточная – a-спиральную.

Источник

Растворимость белков

Глобулярные белки сильно отличаются по своей растворимости в водном растворе. Эти различия используются для разделения белковых смесей. На растворимость влияют:

— диэлектрические свойства (ε);

Практически для всех глобулярных белков характерна особенность: значение рН, при котором белок обладает наименьшей растворимостью, совпадает с его изоэлектрической точкой. Объясняется это тем, что в изоэлектрической точке молекула белка не несёт суммарного заряда и, следовательно, между соседними молекулами отсутствует электростатическое отталкивание. При значениях рН выше или ниже изоэлектрической точки все молекулы белка имеют суммарный заряд одного знака, вследствие чего они отталкиваются друг от друга, так что слипание в нерастворимые агрегаты оказывается невозможным. Некоторые белки в отсутствие солей практически нерастворимы при рН, соответствующем изоэлектрической точке.

Поскольку разные белки имеют разные изоэлектрические точки, то при достижении рН, соответствующего изоэлектрической точке одного из компонентов белковой смеси, этот компонент практически полностью выпадает в осадок, тогда как белки, изоэлектрические точки которых лежат при более низких или более высоких значениях рН, остаются в растворе. Метод разделения белков на основе данного свойства называется методом изоэлектрического осаждения.

Гидратация – это присоединение молекул Н₂О к другим веществам как в растворенном, так и в свободном состоянии. Это частный случай сольватации. Гидратация электролитов в растворе – это главная причина их диссоциации на ионы. Она обуславливает устойчивость ионов в растворе и затрудняет их объединение – ассоциацию. В разбавленных растворах энергия, выделяемая при взаимодействии ионов с Н₂О, компенсирует энергию диссоциации. Теплота гидратации

Гидратацию характеризуют гидратационным числом. Это число молекул Н₂О, которые находятся во взаимодействии с ионами и составляют его гидратную оболочку. Гидратная оболочка влияет на подвижность ионов, коэффициент диффузии и т.д. В свою очередь вхождение воды в состав гидратных оболочек уменьшает концентрацию свободных молекул воды в растворе, а это влияет на растворимость в ней веществ, на активность воды в растворе, на вязкость воды, самодиффузию и другие свойства. Числа гидратации растут с ростом заряда и уменьшением размера иона.

В стабилизации гидратной оболочки существенную роль играют водородные связи. Гидратная оболочка может составлять приблизительно 20% массы. Следовательно, ее учет существенно влияет на определение гидродинамических констант. При формировании третичной структуры белка происходит маскирование функциональных групп. Из-за этого, когда мы рассчитываем заряд белковой молекулы как функцию рН, отнести заряд к ионизации отдельных групп без дополнительных исследований невозможно.

Многие ионы прочно связываются с ближайшими молекулами воды и образуют прочные агрегаты, которые в тепловом движении и при движении в электрическом поле ведут себя как отдельные частицы. Образование вокруг иона прочно удерживаемого слоя молекул воды называется первичной гидратацией. Этот слой характеризуется пониженной способностью молекул воды к трансляционному движению. Второй слой молекул воды, окружающий ион, притягивается к иону слабее и трансляционное движение молекул воды в нем существенно не отличается от движения в толще жидкости. Совокупность изменений, вызываемых ионом во втором слое и более удаленных слоях, называется вторичной гидратацией.

Гидратация наиболее ярко выражается у веществ и полиэлектролитов, у которых макромолекулы содержат СООН, СО, СНО и др. группы. Общее число молекул воды в оболочке уменьшается с возрастанием температуры и сильно зависит от природы иона. Наиболее высокое значение чисел гидратации у сульфанатов двухзарядных катионов с малыми кристаллохимическими радиусами (Mg² + ).

Гидратация оказывает сильное влияние на термодинамику и кинетику реакций ионного обмена. Она является важнейшей причиной набухания высокомолекулярных соединений.

Источник

Белки общие свойства. 1. Белки структура и функции

1.3. Физико-химические свойства белков

Физико-химические свойства белков определяются их аминокислотным составом и пространственной структурой (организацией). Белки обладают следующими основными свойствами:

Механизм растворения белков (гидратация)

Белки – это гидрофильные вещества. Сначала сухой белок набухает, а затем переходит в раствор. При набухании молекулы воды проникают внутрь белка и связываются с полярными группами радикалов аминокислот. Плотная упаковка полипептидных цепей разрыхляется. Затем белки растворяются, т.е. молекулы белка отрываются от общей массы и переходят в раствор.

Однако, не все молекулы белка, набухая, переходят в раствор. Например, коллаген только набухает (так ведут себя многие фибриллярные белки).

Растворение белков связано с их гидратацией, т.е. образованием гидратной оболочки. Молекулы воды электростатически связываются с ионогенными и неионогенными полярными группами радикалов аминокислот (с их полными положительными и отрицательными зарядами, а также с частично положительными и частично отрицательными зарядами) (рис. 8).

Рис. 8. Схема формирования гидратной оболочки
Однако часть гидратной воды связывается с атомами пептидных групп водородными связями. Подобным образом преимущественно связывает воду коллаген, так как этот белок содержит много гидрофобных аминокислот.

Количество воды, связанной с белком достигает 30–50 г на 100 г белка. Гидрофильных полярных групп значительно больше на поверхности белковой глобулы, чем в центре.

На стабилизацию (устойчивость) белка в растворе влияют два фактора:

– заряд белковой молекулы;

– наличие гидратной оболочки.

Оба фактора препятствуют коагуляции (конгломерации или склеиванию) белков и выпадению их в осадок.

Между этими двумя факторами существует тесная взаимосвязь: чем больше полярных групп в белке, тем больше связывается воды и тем лучше растворимость белка.

Например, такие глобулярные белки сыворотки крови и молока как альбумины хорошо растворимы даже в воде, а глобулины только в слабо-солевых растворах. Большинство фибриллярных белков плохо растворяются в воде и физиологических растворах или совсем не растворяются.

Растительные белки – проламины – растворяются в 60–80%-ном спирте, а глютелины – в щелочах (0,1–0,2% раствор гидроксида натрия).

Кислотно-основные свойства белков (электрические)

Белки являются амфотерными полиэлектролитами. Амфотерность белкам придают кислотные и основные группы боковых радикалов аминокислот и концевые аминогруппа (NH₃ + ) и карбоксильная группа (COO – ) полипептидного остова, поскольку другие α-амино- и α-карбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей.

Факторы, влияющие на величину и знак заряда белковой молекулы

1. Влияние аминокислотного состава белковой молекулы на ее заряд (при условии нейтральной среды, рН=7):

– если в белковой молекуле преобладают кислые аминокислоты (аспарагиновая и глутаминовая кислоты), то суммарный заряд белковой молекулы будет отрицательным (в нейтральной среде);

– если в белковой молекуле преобладают основные аминокислоты (лизин, аргинин, гистидин), то суммарный заряд белковой молекулы будет положительным (в нейтральной среде).

Слабая диссоциация SH-групп цистеина и фенольной (С₆Н₅–ОН) группы тирозина (это слабые кислоты) почти не влияет на амфотерность белков.

Чем больше в белке кислых аминокислот, тем больше величина отрицательного заряда (большинство природных белков кислого характера).

Чем больше в белке основных аминокислот, тем больше величина положительного заряда.

Например, молекула альбумина (анионогенный белок) содержит в полипептидной цепи много дикарбоновых аминокислот и, следовательно, имеет отрицательный заряд. В крови, которая имеет рН 7,4, отрицательный заряд альбумина равен 18. Другой пример – гистоны, входящие в состав хроматина ядра клетки, содержат много аргинина и лизина, следовательно, гистоны – это катионогенные белки.

2. Влияние рН среды на заряд белковой молекулы

Суммарный заряд белковой молекулы зависит от рН среды (в кислой среде заряд положительный, а в щелочной – отрицательный).

– если среда щелочная, рН>7

Высокая концентрация гидроксильных ионов (ОН – ) подавляет ионизацию слабой аминогруппы и белки приобретают отрицательный заряд:

В поле постоянного электрического тока (при электрофорезе) белки в щелочной среде перемещаются к аноду;

– если среда кислая, рН – ) к аноду (А + ). Для того, чтобы белковые фракции «прошли путь и разделились» из смеси белков на фракции линия старта должна находиться ближе к катоду (рис. 9)

линия старта глобулины альбумины хроматографическая

(место нанесения бумага

Рис. 9. Электрофореграмма белков сыворотки крови

на хроматографической бумаге
Через 6–10 часов электрофорез останавливают, белки на полоске хроматографической бумаги фиксируют соляной кислотой (белки денатурируют) и окрашивают бромфеноловым синим красителем. На электрофореграмме проявляются окрашенные пятна фракций белков.

Самая электроподвижная фракция – это низкомолекулярные белки (альбумины), которые обладают высокой величиной отрицательного заряда.

Коллоидные и осмотические свойства белков

1. Оптические свойства белков

Растворы белков способны рассеивать лучи видимого света (эффект дифракции или явление Тиндаля). Луч света, проходя через раствор белка, преломляется и свет рассеивается. На данном физико-химическом свойстве белков основан метод количественного определения белка рефрактометрически (в чистых белковых растворах, например, в сыворотке крови).

2. Малая скорость диффузии – способствует равномерному распределению белков внутри клетки, между клеткой и кровью, а также препятствует скоплению белка в местах его биосинтеза.

3. Осмотические свойства белков

Белки в клетке, межклеточной жидкости, в крови повышают осмотическое давление и вызывают явление осмоса, т.е. перемещение ионов Nа + и воды через мембраны в раствор белка.

Неспособность белков проникать через полупроницаемые мембраны вследствие высокой молекулярной массы используется в практике для очистки белков от низкомолекулярных примесей (солей, биогенных аминов, мочевины и др.) – процесс диализа.

4. Высокая вязкость белковых растворов

С увеличением концентрации белка вязкость раствора повышается, поскольку повышаются силы сцепления между поверхностями белковых молекул.

При повышении температуры вязкость белковых растворов понижается. Добавление некоторых солей кальция приводит к повышению вязкости, поскольку ионы Са 2+ способствуют сцеплению молекул с помощью кальциевых мостиков. Иногда вязкость белкового раствора в присутствии Са 2+ настолько увеличивается, что он теряет текучесть и превращается в гель.

5. Способность белков к образованию гелей

Молекулы белка в растворе могут образовывать структурные сетки, внутри которых содержаться молекулы воды. Гелеобразующие свойства белков характеризуются способностью их коллоидного раствора из свободного диспергированного состояния переходить в связнодисперсное (с образованием систем, обладающих свойствами твердых тел). Упругие свойства геля зависят от концентрации белка, от рН, присутствия других белков, солей, ионов двухвалентных металлов (Са 2+ ), полисахаридов.

Физико-химические свойства гелей: прочность, твердость, эластичность, тиксотропия (способность обратимо переходить в текучее состояние и нетекучий гель), температура размягчения и плавления, степень набухания, способность к синерезису (отделение дисперсионной среды с сокращением объема геля). К подобного рода «универсальным» гелеобразователям относится желатин.

Желатин – белковый продукт, представляет собой смесь линейных полипептидов с молекулярной массой 50–70 тыс. и их агрегатов, не имеющих запаха и вкуса. Аминокислотный состав желатина: глицин – 26–31%, пролин – 15–18%, гидроксипролин – 15%, глутаминовая кислота – 11–12%, аспарагиновая кислота – 6–7%, аланин – 8–11%, аргинин – 8–9%.

Желатин получают из коллагена, содержащегося в костях, хрящах и сухожилиях животных. В коллагене 35% карбоксильных групп находится в амидированной форме (СОNH₂). При получении желатина в процессе кислотной или щелочной экстракции нерастворимый коллаген превращается в растворимый желатин. В результате такой обработки амидные группы превращаются в карбоксильные (–СООН). Поэтому pI для амидированной формы желатина приблизительно 9,4, а рI для карбоксильной формы – 4,8 (эти границы варьируют).

Гелеобразование легче протекает в растворах фибриллярных белков и в связи с этим пищевые студни готовят из костей, хрящей, мяса, где много фибриллярных белков.

Коллагеновые белки костей, хрящей, кожи и других обладают высокой прочностью, упругостью и эластичностью, так как находятся в гелеобразном состоянии. Цитоплазма клетки тоже может переходить в гель.

Осаждаемость белков

Механизм и характер осаждения может быть различным.

Осаждение белков растворами нейтральных солей высокой концентрации (насыщенные растворы). Сильным высаливающим эффектом обладают сульфаты натрия (Na₂SO₄) и аммония ((NH₄)₂SO₄).

Механизм высаливания связан с тем, что добавляемые катионы и анионы снимают гидратную оболочку и одновременно, возможно, нейтрализуют заряд белка (состояние близкое к изоэлектрической точке). При таком осаждении сохраняются нативные свойства белков (биологическая активность) и сохраняются все уровни структурной организации белковой молекулы.

Если затем к осадку белка добавить воду, удалить диализом соль, то белок снова перейдет в раствор и будет проявлять биологическую активность. Высаливание используют для разделения белков сыворотки крови, молока, яичного белка на две фракции: альбумины и глобулины.

Глобулины, как менее растворимые белки и с большей молекулярной массой осаждаются первыми, при 50%-ном насыщении раствора белка (NH₄)₂SO₄ или Na₂SO₄, а альбумины при 100%-ном.

Этанол, метанол, ацетон, снимают гидратную оболочку белковых молекул и белки осаждаются. Если после осаждения белков спирт быстро удалить, а к белку добавить воду или физиологический раствор, то белок вновь растворяется. Длительное воздействие данных реагентов на белок может вызвать их денатурацию.

Осаждение белков в изоэлектрической точке

Рассмотрено в разделе «Кислотно-основные свойства белков» и лабораторной работе «Физико-химические свойства белков».

При воздействии различных факторов на белок, сравнительно слабые связи (водородные, ионные, гидрофобные), ответственные за стабилизацию конформации белка (вторичную, третичную и четвертичную), разрушаются. Это приводит к потере биологической активности и физико-химических свойств белка (растворимость, оптические свойства, электрическая подвижность). Без изменения остается первичная структура.

При денатурации белковая молекула увеличивается в размерах («набухает»), плотная упаковка нативного белка разрыхляется. Внутри белковой глобулы разрушаются гидрофобные связи (белковая молекула при этом как бы «выворачивается»). Белковая молекула теряет гидрофильные свойства и, следовательно, гидратную оболочку и приобретает гидрофобные (т.к. на поверхности глобулы появляются гидрофобные группы). Белковые молекулы коагулируют («склеиваются») и выпадают в осадок.

Денатурирующие факторы: физические и химические.

1. Физические факторы – высокая температура, трение, давление, встряхивание, ультразвук, ионизирующие лучи, ультрафиолетовое облучение (УФО).

2. Химические факторы – концентрированные неорганические кислоты, крепкие щелочи, органические кислоты (уксусная кислота, трихлоруксусная, сульфосалициловая и др.), детергенты (моющие средства), некоторые амиды кислот (например, мочевина), алкалоиды, соли тяжелых металлов (ртути, меди, кадмия, цинка, бария, свинца) и другие (см. лабораторную работу «Физико-химические свойства белков»).

Наиболее устойчивыми к действию денатурирующих агентов являются фибриллярные белки, а также гликопротеины и протеогликаны (углеводный компонент стабилизирует белковую молекулу).

В некоторых случаях денатурация обратима. Так, например, кратковременное воздействие спирта или ацетона вызывает в верхнем слое белковой молекулы перераспределение ионных и водородных связей и частичную денатурацию. После быстрого удаления спирта, ацетона происходит самопроизвольное восстановление этих связей в водной фазе.

Денатурирующее воздействие мочевины на белок можно также снять путем ее удаления (диализом или гемодиализом – искусственная почка). Мочевина образует водородные связи с атомами пептидных групп, т.е. встраивается во вторичную структуру:

При нарушении функции почек в крови повышается концентрация мочевины, она поступает в клетки (ткани) и вызывает токсическое действие. Несбалансированное с углеводами белковое питание сопровождается накоплением мочевины в крови и тканях, поскольку аминокислоты, вставшие на путь окисления (энергетический обмен), дезаминируются с отщеплением аммиака.

Источник