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).

Факторы, влияющие на растворимость белков:

– аминокислотный состав полипептидной цепи белка (генетически обусловленный фактор);

– преимущественное расположение гидрофильных аминокислот и олигосахаридных фрагментов на поверхности белковой глобулы. Большинство белков имеют гидрофильную поверхность. Однако есть и гидрофобные белки, поверхность которых образована гидрофобными радикалами аминокислот. Такие белки растворяются в липидах и встречаются преимущественно в мембранах;

– чем ниже относительная гидрофобность белков (т.е. ниже взаимодействие с липидами), тем выше взаимодействие их с молекулами растворителя, следовательно, выше растворимость;

– наличие спирализованных участков на поверхности белка повышает их растворимость;

– растворимость белков зависит от рН среды (в изоэлектрической точке белки имеют наименьшую растворимость);

– от концентрации солей: невысокая концентрация солей щелочных металлов и аммония (NaCl, Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄) повышает растворимость, так как ионы соли препятствуют ионному (электростатическому) взаимодействию заряженных боковых радикалов аминокислот. Высокие концентрации солей снижают гидратацию глобулы (снимают гидратную оболочку) и тем самым усиливают белок-белковые взаимодействия (белок коагулирует и выпадает в осадок);

– от размеров и формы молекул: низкомолекулярные глобулярные белки с большим количеством гидрофильных групп лучше растворимы в воде и слабосолевых растворах, а фибриллярные – хуже или совсем не растворяются;

– денатурированные белки теряют способность к растворению, поскольку при денатурации изменяется конформация белковой молекулы, и он теряет гидратную оболочку и заряд.