Nasz artykuł będzie poświęcony badaniu właściwości substancji, które są podstawą zjawiska życia na Ziemi. Cząsteczki białek występują w formach niekomórkowych - wirusach, wchodzą w skład cytoplazmy i organelli komórek prokariotycznych i jądrowych. Wraz z kwasami nukleinowymi tworzą substancję dziedziczną - chromatynę i tworzą główne składniki jądra - chromosomy. Sygnalizacja, budowanie, katalityka, ochrona, energia - to lista funkcji biologicznych, które pełnią białka. Właściwości fizykochemiczne białek to ich zdolność do rozpuszczania, wytrącania i wysalania. Ponadto są one zdolne do denaturacji i ze względu na swój chemiczny charakter są związkami amfoterycznymi. Zbadajmy dalej te właściwości białek.
Rodzaje monomerów białkowych
20 rodzajów α-aminokwasów to strukturalne jednostki białka. Oprócz rodnika węglowodorowego zawierają NH2- grupę aminową i COOH-grupa karboksylowa. Grupy funkcyjne określają kwasowe i zasadowe właściwości monomerów białkowych. Dlatego w chemii organicznej związki tej klasy nazywane są substancjami amfoterycznymi. Jony wodorowe grupy karboksylowej wewnątrz cząsteczki mogą zostać odszczepione i związane z grupami aminowymi. Rezultatem jest sól wewnętrzna. Jeśli w cząsteczce obecnych jest kilka grup karboksylowych, wówczas związek będzie kwaśny, taki jak kwas glutaminowy lub asparaginowy. Jeśli przeważają grupy aminowe, aminokwasy są zasadowe (histydyna, lizyna, arginina). Przy równej liczbie grup funkcyjnych roztwór peptydu ma reakcję obojętną. Ustalono, że obecność wszystkich trzech rodzajów aminokwasów wpływa na to, jakie cechy będą miały białka. Właściwości fizykochemiczne białek: rozpuszczalność, pH, ładunek makrocząsteczkowy, określa stosunek aminokwasów kwasowych i zasadowych.
Jakie czynniki wpływają na rozpuszczalność peptydów
Poznajmy wszystkie niezbędne kryteria, od których zależą procesy hydratacji lub solwatacji makrocząsteczek białek. Są to: konfiguracja przestrzenna i masa cząsteczkowa, zdeterminowana liczbą reszt aminokwasowych. Uwzględnia również stosunek części polarnych i niepolarnych – rodników znajdujących się na powierzchni białka w strukturze trzeciorzędowej oraz całkowitego ładunku makrocząsteczki polipeptydu. Wszystkie powyższe właściwości bezpośrednio wpływają na rozpuszczalność białka. Przyjrzyjmy się im bliżej.
Globule i ich zdolność do nawadniania
Jeśli zewnętrzna struktura peptydu ma kształt kulisty, to zwykle mówi się o jego globularnej strukturze. Stabilizują ją wiązania wodorowe i hydrofobowe, a także siły przyciągania elektrostatycznego przeciwnie naładowanych części makrocząsteczki. Na przykład hemoglobina, która przenosi cząsteczki tlenu przez krew, w swojej czwartorzędowej postaci składa się z czterech fragmentów mioglobiny połączonych hemem. Białka krwi, takie jak albuminy, α- i ϒ-globuliny, łatwo wchodzą w interakcję z substancjami osocza krwi. Insulina to kolejny globularny peptyd, który reguluje poziom glukozy we krwi u ssaków i ludzi. Części hydrofobowe takich kompleksów peptydowych znajdują się w środku zwartej struktury, podczas gdy części hydrofilowe znajdują się na jej powierzchni. Zapewnia im to zachowanie natywnych właściwości w płynnym środowisku organizmu i łączy je w grupę białek rozpuszczalnych w wodzie. Wyjątkiem są białka globularne, które tworzą mozaikową strukturę błon komórek ludzkich i zwierzęcych. Są one związane z glikolipidami i nierozpuszczalne w płynie międzykomórkowym, co zapewnia ich barierową rolę w komórce.
Peptydy fibrylarne
Kolagen i elastyna, które są częścią skóry właściwej i decydują o jej jędrności i elastyczności, mają strukturę nitkowatą. Potrafią się rozciągać, zmieniając swoją konfigurację przestrzenną. Fibroina to naturalne białko jedwabiu produkowane przez larwy jedwabników. Zawiera krótkie włókna strukturalne, składające się z aminokwasów o niewielkiej masie i długości cząsteczkowej. Są to przede wszystkim seryna, alanina i glicyna. Jegołańcuchy polipeptydowe są zorientowane w przestrzeni w kierunku pionowym i poziomym. Substancja należy do polipeptydów strukturalnych i ma postać warstwową. W przeciwieństwie do polipeptydów globularnych rozpuszczalność białka składającego się z włókienek jest bardzo niska, ponieważ hydrofobowe rodniki jego aminokwasów leżą na powierzchni makrocząsteczki i odpychają cząstki polarnego rozpuszczalnika.
Keratyny i cechy ich struktury
Biorąc pod uwagę grupę białek strukturalnych o postaci fibrylarnej, takich jak fibroina i kolagen, należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną grupę peptydów szeroko rozpowszechnionych w przyrodzie - keratyny. Służą jako podstawa dla takich części ciała ludzkiego i zwierzęcego jak włosy, paznokcie, pióra, wełna, kopyta i pazury. Czym jest keratyna pod względem budowy biochemicznej? Ustalono, że istnieją dwa rodzaje peptydów. Pierwsza ma postać spiralnej struktury drugorzędowej (α-keratyna) i jest podstawą włosa. Drugi jest reprezentowany przez bardziej sztywne włókienka warstwowe - jest to β-keratyna. Można go znaleźć w twardych częściach ciała zwierząt: kopytach, dziobach ptaków, łuskach gadów, pazurach ssaków drapieżnych i ptaków. Czym jest keratyna, skoro jej aminokwasy, takie jak walina, fenyloalanina, izoleucyna, zawierają dużą ilość rodników hydrofobowych? Jest to białko nierozpuszczalne w wodzie i innych polarnych rozpuszczalnikach, które pełni funkcje ochronne i strukturalne.
Wpływ pH podłoża na ładunek polimeru białkowego
Wcześniej wspomnieliśmy, że funkcjonalne grupy białkamonomery - aminokwasy, określają ich właściwości. Dodamy teraz, że od nich zależy również ładunek polimeru. Rodniki jonowe - grupy karboksylowe kwasu glutaminowego i asparaginowego oraz grupy aminowe argininy i histydyny - wpływają na całkowity ładunek polimeru. Odmiennie zachowują się także w roztworach kwaśnych, obojętnych lub zasadowych. Rozpuszczalność białka zależy również od tych czynników. Tak więc przy pH <7 roztwór zawiera nadmierne stężenie protonów wodoru, które hamują rozkład karboksylu, więc całkowity ładunek dodatni na cząsteczce białka wzrasta.
Akumulacja kationów w białku wzrasta również w przypadku obojętnego roztworu i nadmiaru monomerów argininy, histydyny i lizyny. W środowisku alkalicznym ładunek ujemny cząsteczki polipeptydu wzrasta, ponieważ nadmiar jonów wodorowych jest zużywany na tworzenie cząsteczek wody poprzez wiązanie grup hydroksylowych.
Czynniki decydujące o rozpuszczalności białek
Wyobraźmy sobie sytuację, w której liczba ładunków dodatnich i ujemnych na helisie białkowej jest taka sama. pH medium w tym przypadku nazywane jest punktem izoelektrycznym. Całkowity ładunek samej makrocząsteczki peptydowej staje się zerowy, a jej rozpuszczalność w wodzie lub innym polarnym rozpuszczalniku będzie minimalna. Zapisy teorii dysocjacji elektrolitycznej stwierdzają, że rozpuszczalność substancji w rozpuszczalniku polarnym składającym się z dipoli będzie tym wyższa, im bardziej spolaryzowane są cząstki rozpuszczonego związku. Wyjaśniają również czynniki decydujące o rozpuszczalnościbiałka: ich punkt izoelektryczny oraz zależność hydratacji lub solwatacji peptydu od całkowitego ładunku jego makrocząsteczki. Większość polimerów tej klasy zawiera nadmiar grup -COO- i ma lekko kwasowe właściwości. Wyjątkiem będą wspomniane wcześniej białka błonowe i peptydy wchodzące w skład jądrowej substancji dziedzicznej - chromatyny. Te ostatnie nazywane są histonami i mają wyraźne właściwości podstawowe ze względu na obecność dużej liczby grup aminowych w łańcuchu polimerowym.
Zachowanie białek w polu elektrycznym
Ze względów praktycznych często konieczne jest rozdzielenie na przykład białek krwi na frakcje lub pojedyncze makrocząsteczki. Aby to zrobić, możesz wykorzystać zdolność naładowanych cząsteczek polimeru do poruszania się z określoną prędkością do elektrod w polu elektrycznym. Roztwór zawierający peptydy o różnej masie i ładunku umieszczany jest na nośniku: papierze lub specjalnym żelu. Przepuszczając impulsy elektryczne, na przykład przez porcję osocza krwi, uzyskuje się do 18 frakcji poszczególnych białek. Wśród nich: wszystkie rodzaje globulin, a także albumina białkowa, która jest nie tylko najważniejszym składnikiem (stanowi do 60% masy peptydów osocza krwi), ale także odgrywa centralną rolę w procesach osmozy i krążenie krwi.
Jak stężenie soli wpływa na rozpuszczalność białek
Zdolność peptydów do tworzenia nie tylko żeli, pianek i emulsji, ale także roztworów jest ważną właściwością, która odzwierciedla ich właściwości fizykochemiczne. Na przykład wcześniej studiowanyalbuminy znajdujące się w bielmie nasion zbóż, mleku i surowicy krwi szybko tworzą roztwory wodne o stężeniu soli obojętnych, takich jak chlorek sodu, w zakresie od 3 do 10 proc. Na przykładzie tych samych albumin można poznać zależność rozpuszczalności białka od stężenia soli. Dobrze rozpuszczają się w nienasyconym roztworze siarczanu amonu, a w roztworze przesyconym wytrącają się odwracalnie i przy dalszym obniżeniu stężenia soli przez dodanie porcji wody przywracają powłokę hydratacyjną.
Wysalanie
Powyżej opisane reakcje chemiczne peptydów z roztworami soli utworzonych przez mocne kwasy i zasady nazywane są wysalaniem. Opiera się na mechanizmie oddziaływania naładowanych grup funkcyjnych białka z jonami soli - kationami metali i anionami reszt kwasowych. Kończy się utratą ładunku na cząsteczce peptydu, zmniejszeniem jej powłoki wodnej i adhezją cząsteczek białka. W rezultacie wytrącają się, co omówimy później.
Opady i denaturacja
Aceton i alkohol etylowy niszczą powłokę wodną otaczającą białko w strukturze trzeciorzędowej. Nie towarzyszy temu jednak zneutralizowanie całkowitego ładunku na nim. Proces ten nazywa się wytrącaniem, rozpuszczalność białka jest znacznie zmniejszona, ale nie kończy się na denaturacji.
Cząsteczki peptydów w ich natywnym stanie są bardzo wrażliwe na wiele parametrów środowiskowych, na przykład natemperatura i stężenie związków chemicznych: soli, kwasów lub zasad. Wzmocnienie działania obu tych czynników w punkcie izoelektrycznym prowadzi do całkowitego zniszczenia stabilizujących wiązań wewnątrzcząsteczkowych (mostki dwusiarczkowe, wiązania peptydowe), kowalencyjnych i wodorowych w polipeptydzie. Szczególnie szybko w takich warunkach peptydy kuliste ulegają denaturacji, całkowicie tracąc przy tym swoje właściwości fizykochemiczne i biologiczne.
