Нашата статия ще бъде посветена на изследването на свойствата на веществата, които са в основата на феномена на живота на Земята. Протеиновите молекули присъстват в неклетъчни форми – вируси, са част от цитоплазмата и органелите на прокариотните и ядрените клетки. Заедно с нуклеиновите киселини те образуват веществото на наследствеността - хроматин и образуват основните компоненти на ядрото - хромозоми. Сигнални, градивни, каталитични, защитни, енергийни – това е списък от биологични функции, които изпълняват протеините. Физикохимичните свойства на протеините са способността им да се разтварят, утаяват и осоляват. Освен това те са способни да денатурират и по своята химическа природа са амфотерни съединения. Нека разгледаме по-нататък тези свойства на протеините.
Видове протеинови мономери
20 вида α-аминокиселини са структурните единици на протеина. В допълнение към въглеводородния радикал, те съдържат NH2- аминогрупа и COOH-карбоксилна група. Функционалните групи определят киселинните и основните свойства на протеиновите мономери. Следователно в органичната химия съединенията от този клас се наричат амфотерни вещества. Водородните йони на карбоксилната група вътре в молекулата могат да бъдат отцепени и свързани с аминогрупи. Резултатът е вътрешна сол. Ако в молекулата присъстват няколко карбоксилни групи, тогава съединението ще бъде кисело, като глутаминова или аспарагинова киселина. Ако преобладават аминогрупите, аминокиселините са основни (хистидин, лизин, аргинин). При равен брой функционални групи пептидният разтвор има неутрална реакция. Установено е, че наличието и на трите вида аминокиселини влияе върху това какви характеристики ще имат протеините. Физикохимичните свойства на протеините: разтворимост, рН, заряд на макромолекулите, се определят от съотношението на киселинни и основни аминокиселини.
Какви фактори влияят върху разтворимостта на пептидите
Нека да разберем всички необходими критерии, от които зависят процесите на хидратация или разтваряне на протеинови макромолекули. Това са: пространствена конфигурация и молекулно тегло, определени от броя на аминокиселинните остатъци. Той също така отчита съотношението на полярните и неполярните части - радикали, разположени на повърхността на протеина в третичната структура и общия заряд на полипептидната макромолекула. Всички изброени по-горе свойства влияят пряко върху разтворимостта на протеина. Нека ги разгледаме по-отблизо.
Глобулите и тяхната способност да хидратират
Ако външната структура на пептида има сферична форма, тогава е обичайно да се говори за неговата глобуларна структура. Стабилизира се от водородни и хидрофобни връзки, както и от силите на електростатично привличане на противоположно заредени части на макромолекулата. Например, хемоглобинът, който пренася кислородни молекули през кръвта, в своята кватернерна форма се състои от четири фрагмента миоглобин, обединени от хем. Кръвните протеини като албумини, α- и ϒ-глобулини лесно взаимодействат с вещества в кръвната плазма. Инсулинът е друг глобуларен пептид, който регулира нивата на кръвната захар при бозайници и хора. Хидрофобните части на такива пептидни комплекси са разположени в средата на компактната структура, докато хидрофилните части са разположени на нейната повърхност. Това им осигурява запазване на естествените свойства в течната среда на тялото и ги комбинира в група водоразтворими протеини. Изключение правят глобуларните протеини, които образуват мозаечната структура на мембраните на човешките и животинските клетки. Те са свързани с гликолипиди и са неразтворими в междуклетъчната течност, което гарантира тяхната бариерна роля в клетката.
Фибриларни пептиди
Колагенът и еластинът, които са част от дермата и определят нейната твърдост и еластичност, имат нишковидна структура. Те са в състояние да се разтягат, променяйки пространствената си конфигурация. Фиброинът е естествен копринен протеин, произведен от ларви на копринена буба. Съдържа къси структурни влакна, състоящи се от аминокиселини с малка маса и молекулна дължина. Това са на първо място серин, аланин и глицин. Неговитеполипептидните вериги са ориентирани в пространството във вертикална и хоризонтална посока. Веществото принадлежи към структурните полипептиди и има слоеста форма. За разлика от глобуларните полипептиди, разтворимостта на протеин, състоящ се от фибрили, е много ниска, тъй като хидрофобните радикали на неговите аминокиселини лежат на повърхността на макромолекулата и отблъскват полярните частици на разтворителя.
Кератините и характеристиките на тяхната структура
Имайки предвид групата структурни протеини с фибриларна форма, като фиброин и колаген, е необходимо да се спрем на още една група широко разпространени в природата пептиди - кератините. Те служат като основа за такива части от човешкото и животинското тяло като коса, нокти, пера, вълна, копита и нокти. Какво представлява кератинът по отношение на неговата биохимична структура? Установено е, че има два вида пептиди. Първият има формата на спираловидна вторична структура (α-кератин) и е в основата на косата. Другият е представен от по-твърди слоести фибрили - това е β-кератин. Може да се намери в твърдите части на тялото на животните: копита, птичи човки, люспи на влечуги, нокти на хищни бозайници и птици. Какво представлява кератинът, въз основа на факта, че неговите аминокиселини, като валин, фенилаланин, изолевцин, съдържат голям брой хидрофобни радикали? Това е протеин, неразтворим във вода и други полярни разтворители, който изпълнява защитни и структурни функции.
Влияние на pH на средата върху заряда на протеиновия полимер
По-рано споменахме, че функционалните групи протеинмономери - аминокиселини, определят техните свойства. Сега добавяме, че зарядът на полимера също зависи от тях. Йонните радикали - карбоксилни групи на глутаминова и аспарагинова киселини и аминогрупи на аргинин и хистидин - влияят върху цялостния заряд на полимера. Те също се държат различно в киселинни, неутрални или алкални разтвори. От тези фактори зависи и разтворимостта на протеина. И така, при pH <7, разтворът съдържа излишна концентрация на водородни протони, които инхибират разграждането на карбоксил, така че общият положителен заряд на протеиновата молекула се увеличава.
Натрупването на катиони в протеина също се увеличава в случай на неутрална разтворена среда и при излишък от аргинин, хистидин и лизинови мономери. В алкална среда отрицателният заряд на полипептидната молекула се увеличава, тъй като излишъкът от водородни йони се изразходва за образуването на водни молекули чрез свързване на хидроксилни групи.
Фактори, които определят разтворимостта на протеините
Нека си представим ситуация, в която броят на положителните и отрицателните заряди върху протеиновата спирала е еднакъв. pH на средата в този случай се нарича изоелектрична точка. Общият заряд на самата пептидна макромолекула става нула и нейната разтворимост във вода или друг полярен разтворител ще бъде минимална. Разпоредбите на теорията на електролитната дисоциация гласи, че разтворимостта на вещество в полярен разтворител, състоящ се от диполи, ще бъде толкова по-висока, колкото по-поляризирани са частиците на разтвореното съединение. Те също така обясняват факторите, които определят разтворимосттапротеини: тяхната изоелектрична точка и зависимостта на хидратацията или солватацията на пептида от общия заряд на неговата макромолекула. Повечето полимери от този клас съдържат излишък от -COO- групи и имат леко киселинни свойства. Изключение ще бъдат споменатите по-горе мембранни протеини и пептиди, които са част от ядрената субстанция на наследствеността - хроматин. Последните се наричат хистони и имат изразени основни свойства поради наличието на голям брой аминогрупи в полимерната верига.
Поведение на протеините в електрическо поле
За практически цели често се налага да се разделят, например, кръвните протеини на фракции или отделни макромолекули. За да направите това, можете да използвате способността на заредените полимерни молекули да се движат с определена скорост към електродите в електрическо поле. Разтвор, съдържащ пептиди с различна маса и заряд, се поставя върху носител: хартия или специален гел. Чрез преминаване на електрически импулси, например, през част от кръвната плазма, се получават до 18 фракции от отделни протеини. Сред тях: всички видове глобулини, както и протеинов албумин, който е не само най-важният компонент (той представлява до 60% от масата на пептидите в кръвната плазма), но също така играе централна роля в процесите на осмоза и кръвообращението.
Как концентрацията на сол влияе върху разтворимостта на протеина
Способността на пептидите да образуват не само гелове, пяни и емулсии, но и разтвори е важно свойство, което отразява техните физикохимични характеристики. Например, предварително проучениалбумини, открити в ендосперма на зърнени семена, мляко и кръвен серум, бързо образуват водни разтвори с концентрация на неутрални соли, като натриев хлорид, в диапазона от 3 до 10 процента. Използвайки примера на същите албумини, може да се установи зависимостта на разтворимостта на протеина от концентрацията на сол. Те се разтварят добре в ненаситен разтвор на амониев сулфат, а в свръхнаситен разтвор се утаяват обратимо и с по-нататъшно намаляване на концентрацията на сол чрез добавяне на порция вода възстановяват хидратиращата си обвивка.
Осоляване
Описаните по-горе химични реакции на пептиди с разтвори на соли, образувани от силни киселини и основи, се наричат изсоляване. Той се основава на механизма на взаимодействие на заредени функционални групи на протеина със солни йони - метални катиони и аниони на киселинни остатъци. Завършва със загуба на заряд на пептидната молекула, намаляване на водната й обвивка и адхезия на протеинови частици. В резултат на това те се утаяват, което ще обсъдим по-късно.
Утаяване и денатурация
Ацетонът и етиловият алкохол разрушават водната обвивка, заобикаляща протеина в третичната структура. Това обаче не е придружено от неутрализиране на общия заряд върху него. Този процес се нарича утаяване, разтворимостта на протеина е рязко намалена, но не завършва с денатурация.
Пептидните молекули в естественото си състояние са много чувствителни към много параметри на околната среда, например къмтемпература и концентрация на химични съединения: соли, киселини или основи. Усилването на действието на двата фактора в изоелектричната точка води до пълно разрушаване на стабилизиращите вътрешномолекулни (дисулфидни мостове, пептидни връзки), ковалентни и водородни връзки в полипептида. Особено бързо при такива условия глобуларните пептиди денатурират, като същевременно напълно губят своите физикохимични и биологични свойства.
