ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физико-химические свойства белков и их растворов из "Химические основы жизни" Аминокислотный состав и пространственная организация индивидуального белка определяют его физико-химические и биохимические свойства. Белки подвергаются гидратации в водных растворах, осаждаются из них нейтральными солями, претерпевают денатурацию под влиянием различных факторов. Кроме того, белки в растворах обладают кислотноосновными, буферными, хелатирующими, коллоидными, осмотическими и оптическими свойствами. [c.71] Растворимость и гидратация. Белки — это гидрофильные вещества, и как всякое гидрофильное высокомолекулярное соединение они при растворении в воде сначала набухают, а затем переходят в растворенное состояние. При набухании молекулы воды проникают в белок и связываются с его полярными группами. В результате плотная упаковка полипептидных цепей разрыхляется, и дальнейшее поглощение воды приводит к отрыву молекул белка от общей массы, т. е. к растворению. Но некоторые белки, например коллаген, поглощая большое количество воды, так и остаются в набухшем виде, не растворяясь. [c.71] Растворение белка всегда связано с его гидратацией, причем гидрат-ная вода настолько прочно связана с макромолекулой белка, что отделить ее удается с большим трудом. Часть гидратной воды связывается пептидными группами, которые образуют с водой водородные связи. Поэтому, несмотря на то что коллаген в основном содержит аминокислотные остатки с неполярными радикалами, данный белок способен связывать достаточно большое количество воды. [c.71] Высаливание. Растворы нейтральных солей широко используются не только для повышения растворимости белка, но и для избирательного осаждения разных белков, т. е. их фракционирования. Процесс осаждения белков нейтральными солями называется высаливанием. Характерной особенностью белков, осажденных в процессе высаливания, является то, что после удаления соли они сохраняют свои нативные биологические свойства. Сушность процесса высаливания заключается в том, что ионы забирают на себя гидратную оболочку белка, одновременно нейтрализуя заряд белковой молекулы. Способность к высаливанию наиболее ярко выражена у многозарядных анионов, в частности у сульфатов. На практике для высаливания чаше всего применяют сульфаты натрия и аммония. Помимо солей для осаждения белков могут быть использованы органические водоотнимаюшие (гидрофильные) растворители — этанол, ацетон, метанол и др. Высаливание достаточно широко применяется для разделения и очистки белков. Для каждого белка существует своя зона высаливания, т. е. диапазон концентраций соли, позволяющий дегидратировать и осадить белок. После удаления высаливающего агента белок сохраняет все свои природные свойства и функции. [c.72] Кислотно-оснданые и буферные свойства. Белки подобно аминокислотам проявляют кислотные и основные свойства. Однако амфотерность белковых молекул обусловлена главным образом наличием кислотно-ос-новных групп в составе боковых радикалов аминокислот белка, а также концевых сс-амино- и а-карбоксильной групп. У белка с четвертичной структурой число концевых амино- и карбоксильных групп равно числу протомеров. Однако их количество недостаточно для того, чтобы обеспечить амфотерность макромолекулы белка. Кислотно-основные свойства и заряд белковой молекулы главным образом определяются наличием полярных аминокислотных радикалов, большая часть которых находится на поверхности глобулярных белков. Кислотные свойства белку придают аспарагиновая, глутаминовая и аминолимонная кислоты, а основные свойства — лизин, аргинин, гистидин. Слабая диссоциация 8Н-группы цистеина и фенольной группы тирозина (их можно рассматривать как слабые кислоты) почти не влияет на кислотные свойства белков. [c.72] Белковая буферная система эффективна в области pH от 7,2 до 7,4. Рассчитано, что при pH 7,36 белки плазмы, содержащиеся в 1 л крови, способны связывать 18 ммоль оснований. [c.73] Как и для аминокислот, значение pH, при котором белок в неких экспериментальных условиях имеет суммарный нулевой заряд, называется изоэлектрической точкой. В этой точке белок не обладает подвижностью в электрическом поле. Чем выше в белке количественное соотношение [кислые аминокислоты] / [основные аминокислоты], тем ниже его изоэлектрическая точка. У кислых белков р/ 7, у нейтральных р/около 7, а у основных р/ 7. Значения изоэлектрических точек некоторых белков представлены в табл. 1.4. [c.73] При значениях pH среды ниже изоэлектрической точки данного белка последний будет нести положительный заряд, а при значениях pH выше р/— отрицательный заряд. Белки цитоплазмы имеют в среднем р/, равный 5,5, т. е. при физиологических значениях pH около 7,0—7,4 клеточные белки имеют отрицательный заряд. В условиях живой клетки этот заряд компенсируется неорганическими катионами. Изоэлектрическая точка является важной характеристикой белка, так как в изоэлектрическом состоянии белки наименее устойчивы в растворах и, как правило, выпадают в осадок. [c.73] Хелатирующие свойства. В отличие от аминокислот пептиды, не содержащие дополнительных электронодонорных групп в боковых радикалах аминокислотных остатков, образуют нестабильные комплексы с ионами металлов. Маловероятно, что в комплексообразовании участвуют только концевые (—СООН и —МНг) группы пептида, поскольку это приводило бы к образованию стерически затрудненных циклических структур. [c.73] Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что при комплексообразовании важную роль играют пептидные группы при этом атом азота иминофуппы не координирует ион металла. Наличие боковых радикалов у аминокислотных остатков, содержащих дополнительные —СООН, —КНг, —8Н и имидазольную группы, во многом определяет тип координации иона металла полипептидной цепью, при этом пептидные группы играют незначительную роль. Существенным фактором при комплексообразовании является суммарный заряд молекулы белка, так как именно величина этого заряда, а также пространственное распределение точечных зарядов на белковой молекуле определяют стехиометрию образующегося комплекса. Другими важными факторами являются число электронодонорных групп в полипептидной цепи, доступных для координации, а также реакционная способность этих групп по отнощению к ионам данного металла. [c.74] Хелатирующие свойства белковых молекул играют важную биологическую роль, поскольку во многих случаях каталитическая активность белков-ферментов проявляется только в составе комплексов с ионами того или иного металла. [c.74] Не менее важным свойством белков является их способность участвовать в образовании молекулярных комплексов с жирами и другими гидрофобными веществами (например, билирубином), в составе которых осуществляются транспорт и выведение из организма нерастворимых в биологических жидкостях (зачастую токсичных) органических веществ. [c.74] Коллоидные и осмотические свойства растворов белков. Водные растворы белков являются устойчивыми и равновесными, они не коагулируют и не требуют присутствия стабилизаторов. Белковые растворы гомогенны, и в принципе их можно отнести к истинным растворам. Однако высокая молекулярная масса белков придает их растворам многие свойства коллоидных систем. Так, растворы белков, особенно концентрированные, обладают характерной опалесценцией. Способность белков и других биомолекул рассеивать свет используется при микроскопическом изучении органелл клетки в темном поле микроскопа коллоидные частицы видны как светлые вкрапления в цитоплазме. [c.74] Белки имеют ограниченную скорость диффузии в сравнении с обычными молекулами и ионами, которые перемещаются в сотни и тысячи раз быстрее, чем белки. Скорость диффузии белков больще зависит от формы их молекул, чем от молекулярной массы. Глобулярные белки в водных растворах подвижнее фибриллярных. Диффузия белков имеет важное значение для нормального функционирования живой клетки. При отсутствии диффузии синтез белков мог бы привести к их скоплению в месте образования, т. е. в том участке клетки, где имеются рибосомы. Внутриклеточное распределение белков происходит путем диффузии. Поскольку скорость диффузии белков невысока, она ограничивает скорость процессов, зависящих от функции белка, диффундирующего в соответствующий участок клетки. [c.74] Клеточные мембраны непроницаемы для белка, поэтому осмотическое давление, создаваемое белком, зависит от концентрации его внутри и вне клетки. Осмотическое давление, которое создается белками, называют онкотическим давлением. [c.74] Для растворов белков характерна высокая вязкость. Растворы фибриллярных белков всегда более вязкие, чем растворы глобулярных белков. На вязкость растворов белков сильное влияние оказывают изменения температуры и присутствие электролитов. С повышением температуры вязкость растворов белков снижается, а присутствие некоторых солей, в частности солей кальция, приводит к повышению вязкости растворов за счет сцепления молекул белков посредством ионных (кальциевых) мостиков. Иногда вязкость белкового раствора увеличивается настолько, что он теряет текучесть и переходит в гелеобразное состояние. Взаимодействие между макромолекулами белка в растворе может привести к образованию структурных сеток, внутри которых будут находиться захваченные молекулы воды. Такие структурированные системы называются гелями или студнями. Считается, что протоплазма клетки может переходить в гелеобразное состояние. Характерный пример — тело медузы, которое является как бы живым студнем, содержащим до 90 % воды. [c.75] Гелеобразование гораздо легче протекает в растворах фибриллярных белков, нежели глобулярных их палочковидная форма способствует лучшему контакту концов макромолекул. Данное свойство фибриллярных белков хорошо известно и используется в бытовой практике. Так, пищевые студни готовят из продуктов (кости, хрящи, мясо), содержащих в больших количествах фибриллярные белки. Гелеобразование имеет очень важное физиологическое значение для организма. Например, в гелеобразном состоянии находится белковый комплекс актомиозин, выполняющий сократительную функцию в мышечных клетках. [c.75] При денатурации утрачивается биологическая активность белков, на этом свойстве основано применение водного раствора фенола (карболовой кислоты) в качестве антисептика. При денатурации первичная структура белка сохраняется, поэтому денатурация может иметь обратимый характер. Процесс, обратный денатурации, называется ренативацией. Процесс ренативации протекает самопроизвольно, и это является подтверждением того, что организация полипептидной цепи белка в пространстве определяется его первичной структурой. [c.76] В процессе вьщеления белка из биологического материала во избежание его денатурации и нарушения нативной конформации все операции проводят в мягких условиях — при температуре не выше 5 °С, избегая резких воздействий химических реагентов. [c.76] Денатурация белков возможна не только в модельных условиях, но и в условиях живой клетки. Поскольку из-за высокой концентрации белков во внутриклеточном пространстве осуществляется ассоциация, а затем агрегация денатурированных белковых молекул, то возможность самопроизвольной ренативации белков in vitro затруднена. Для восстановления нативной конформации частично денатурированных молекул в живых организмах существуют специфические белки — шапероны, обнаруженные как белки, активно синтезирующиеся в условиях теплового шока организма. Классификация шаперонов основана на различиях в молекулярной массе их субъединиц. Высокомолекулярные шапероны имеют массу от 60 до 100. Из них наиболее исследованы три семейства родственных белков Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Кратко остановимся на особенностях их функционирования. [c.76] Вернуться к основной статье