Общая характеристика физико-химических свойств белков

Физико-химические свойства белков обусловлены их структурной организацией (первичной, вторичной, третичной и, если таковая имеется, четвертичной структурой), а также находятся в зависимости от факторов внешней среды.

1.Высокая молекулярная масса белков;

2.Неисчерпаемое разнообразие конформации белков при строгой ее специфичности;

3.Динамичность конформации белков;

4.Гидратация и растворимость белков. Образование коллоидных растворов;

5.Способность белка к ионизации;

6.Способность радикалов аминокислотных остатков белков в процессе жизнедеятельности подвергаться различным химическим превращениям;

7.Способность белков к специфическим взаимодействиям с другими веществами;

8.Способность белков к денатурации и ренатурации;

9.Способность белков давать цветные реакции, обусловленные наличием пептидной связи или определенным аминокислотным составом;

10.Способность к гидролизу под действием кислот или ферментов

1.Высокая молекулярная масса белков. Белки имеют молекулярную массу выше 6000 Да. Она зависит от величины коэффициента поликонденсации, а также от аминокислотного состава (т.к. масса аминокислот неодинакова) и наличия четвертичной структуры

Высокая молекулярная масса белков обусловливает их неспособность проходить через полупроницаемые мембраны, что используется в конструкции аппарата ²искусственная почка² У больных хронической почечной недостаточностью не образуется моча и не происходит удаление низкомолекулярных продуктов обмена. Для того чтобы предотвратить отравление они периодически должны подвергаться гемодиализу, благодаря которому из крови удаляются низкомолекулярные соединения, и сохраняется основной набор белков крови.

Это свойство используется также для выделения и очистки белков путем гель-фильтрации.

2.Неисчерпаемое многообразие конформации белков при строгой ее специфичности.Поразительная особенность белков состоит в том, что каждый из них имеет четко определенную, присущую только ему трехмерную структуру. Будучи развернутыми или уложенными случайным образом, полипептидные цепи лишены биологической активности. Функциональные свойства белков определяются их конформацией, т.е. пространственным расположением атомов, которое формирует своеобразный рельеф поверхности молекулы белка. Конформация определяется первичной структурой белка, изменение которой приводит к нарушению нативной конформации белка и, следовательно, изменению его функциональных свойств. Характер этих изменений не всегда возможно предсказать.

3.Динамичность конформации белков. Конформация белка в целом и отдельных участков его поверхности не остается неизменной и характеризуется динамичностью. Важнейшим условием реализации этого свойства является стабилизация структуры белка множеством слабых связей. Динамичность конформации является не столько следствием, сколько важнейшим условием проявления функциональной активности белков. Так, в момент присоединения первой молекулы кислорода к гемоглобину происходит изменение взаимного расположения a и b-цепей в молекуле гемоглобина. Это облегчает присоединение последующих 3 молекул кислорода. Активный центр фермента имеет лишь общее стерическое соответствие со своим субстратом. В ходе взаимодействия фермента и субстрата происходят конформационные изменения в молекуле фермента, за счет которых достигается полное соответствие конформации связывающего участка фермента и субстрата.

4.Гидратация и растворимость белков. Большинство глобулярных белков относятся к гидрофильным веществам, хорошо растворяющимся в воде. Это свойство обусловлено расположенными на поверхности белка группами, способными гидратироваться. Под гидратацией понимается связывание диполей воды с ионными и полярными группами белка, такими как -СОО^` , -NН₃⁺, -СОNH₂ , -OH, -SH , в результате чего образуется гидратная оболочка белков (рис. 1.3). Благодаря этому каждая молекула белка покрывается несколькими молекулярными слоями воды, т.е. одна молекула белка отделена от другой слоем воды и находится в состоянии истинного раствора. Растворимость белков в воде возрастает при добавлении небольших количеств нейтральных солей (сульфат аммония, сульфат натрия, сульфат магния). Небольшие концентрации солей увеличивают степень диссоциации ионизированных групп, экранируют заряженные группы белка и тем самым уменьшают белок-белковое взаимодействие. Высокие концентрации нейтральных солей, напротив, осаждают белки из водных растворов, т.к. при больших концентрациях соли оттягивают на себя от молекул белка молекулы воды, т.е. лишают белок его гидратной оболочки. Так как, степень диссоциации ионогенных групп белка определяет возможности гидратации белка они хуже растворяются при рН равной его изоэлектрической точке (ИЭТ).

Факторами стабилизации белков в растворе являются наличие заряда поверхности белковой молекулы, броуновское движение молекул.

При добавлении в раствор белка органических растворителей вследствие уменьшения диэлектрической постоянной и уменьшения степени гидратации белков происходит их агрегация и выпадение в осадок.

Белковые растворы не являются типичными коллоидными растворами, т.к. белки диспергированы до единичных молекул и образуют гомогенный раствор. Сходство белковых и коллоидных растворов основано на том, что молекулы белков имеют размеры, приближающиеся к размеру мицелл коллоидного раствора. Растворы белков при определенных условиях могут терять текучесть и образовывать гели, возникающие в результате объединения молекул в виде сетки, внутреннее пространство которой заполнено растворителем. В виде гелей белки находятся в хрусталике глаза, гели образуются при сквашивании молока, при подготовке растений к зимнему периоду происходит переход части белков в гелеобразное состояние.

Рис.1.3 Образование гидратной (сольватной) оболочки белков

Благодаря гидрофильным и гидрофобным группировкам, белки могут влиять на растворимость других веществ, выступая в роли эмульгаторов. Например, как эмульсию можно рассматривать молоко, представляющее собой эмульгированные казеиногеном капельки жира в воде. Одной из причин образования мочевых и желчных камней может быть недостаток муцинов - слизистых гликопротеинов, обволакивающих микрочастицы и способствующих тем самым выведению их из организма.

5.Ионизация белка и зависимость заряда от рН среды.Благодаря наличию в своем составе свободных амино- и карбоксильных групп белки являются полиэлектролитами (амфотерными электролитами). Белки в растворах находятся преимущественно в виде биполярных ионов (цвиттерионов, амфионов). При этом свободные карбоксильные группы белков оказываются диссоциированными (_{_}-СОО^-), а свободные аминогруппы оказываются протонироваными (-NН₃⁺). Таким образом, ионизация белков является следствием диссоциации свободных карбоксильных групп и протонирования свободных аминогрупп (рис.1.4 )

В свою очередь степень ионизации (а значит и знак, и величина заряда) зависит от рН среды.

катион амфион анион

рН<7 рН>7

Рис.1.4. Схема ионизации белков

Значение рН, при котором число положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов, называется изоэлектрической точкой данного белка. В растворах с рН ниже изоэлектрической точки белок приобретает положительный заряд, а выше ИЭТ отрицательный. В ИЭТ точке белки наиболее неустойчивы. Это может быть использовано для разделения белков. Белки с ИЭТ в области кислых значений рН характеризуются преобладанием кислых аминокислот ( ГЛУ и АСП ). ИЭТ белка выше 7 указывает на преобладание в составе белка основных аминокислот ( АРГ, ЛИЗ, ГИС).

6.Способность радикалов аминокислот в процессе жизнедеятельности подвергаться различным превращениям. В некоторых белках после сборки их полипептидных цепей происходит химическая модификация радикалов некоторых аминокислот с образованием минорных аминокислот. Так, некоторые белковые факторы системы свертывания крови подвергаются гамма-карбоксилированию поверхностно расположенных остатков глутамата. В результате карбоксилирования они приобретают способность связываться с ионами кальция и проявлять свойства фактора свертывания крови.

7.Способность белков к специфическим взаимодействиям с другими веществами основана на том, что связывающий участок белка и взаимодействующее с ним вещество являются комплиментарными друг другу За счет этого достигается безошибочность взаимодействия белков со своим лигандом при условии, что одновременно в клетке происходят миллионы реакций.

8. Способность белков к денатурации. Под денатурацией белка понимают нарушение нативной конформации белковой молекулы, приводящее к уменьшению или полной потере ее растворимости, изменению других физико-химических свойств, утрате специфической биологической активности. Денатурация не сопровождается разрывом пептидных связей и нарушением первичной структуры белка. Происходит расщепление дисульфидных мостиков, гидрофобных, ионных, водородных связей. В результате нарушается третичная структура и в значительной мере вторичная. Денатурацию белка вызывают как физические, так и химические факторы. К физическим денатурирующим факторам относятся: нагревание, ультрафиолетовый свет, высокое давление, механические воздействия, ультразвук. К химическим факторам денатурации относятся: тяжелые металлы, органические растворители, минеральные и органические кислоты, экстремальные значения рН, ионные детергенты.

Можно выделить следующие фазы денатурации: вначале при воздействии денатурирующего агента происходит ослабление внутренних связей, стабилизирующих белковую молекулу, плотность укладки полипептидных цепей уменьшается, внутрь молекулы белка могут проникать молекулы воды - это стадия рыхлого клубка, затем происходит полное развертывание полипептидной цепи белка- это стадия нити, в последующем полипептидная цепь укладывается в пространстве случайным образом, наступает стадия случайного клубка.

Денатурированный белок легче подвергается ферментативному гидролизу, поэтому термические способы обработки пищи способствуют лучшему усвоению пищевых белков. Во многих случаях денатурация является необратимым процессом (белки сваренного яйца). В некоторых случаях при медленном возвращении белка к оптимальным условиям (например, уменьшении концентрации мочевины) возможна его ренатурация. Ренатурация белков в живых организмах не описана. По-видимому, это связано с тем, что денатурированный белок легко расщепляется протеолитическими ферментами.