Náš článok bude venovaný štúdiu vlastností látok, ktoré sú základom fenoménu života na Zemi. Molekuly bielkovín sú prítomné v nebunkových formách – vírusoch, sú súčasťou cytoplazmy a organel prokaryotických a jadrových buniek. Spolu s nukleovými kyselinami tvoria látku dedičnosti - chromatín a tvoria hlavné zložky jadra - chromozómy. Signalizačné, stavebné, katalytické, ochranné, energetické – to je zoznam biologických funkcií, ktoré bielkoviny vykonávajú. Fyzikálno-chemické vlastnosti proteínov sú ich schopnosť rozpúšťať sa, zrážať sa a vysolovať. Okrem toho sú schopné denaturácie a svojou chemickou povahou sú to amfotérne zlúčeniny. Poďme preskúmať tieto vlastnosti bielkovín ďalej.
Typy proteínových monomérov
20 druhov α-aminokyselín sú štrukturálne jednotky bielkovín. Okrem uhľovodíkového radikálu obsahujú NH2- aminoskupinu a COOH-karboxylová skupina. Funkčné skupiny určujú kyslé a zásadité vlastnosti proteínových monomérov. Preto sa v organickej chémii zlúčeniny tejto triedy nazývajú amfotérne látky. Vodíkové ióny karboxylovej skupiny vo vnútri molekuly sa môžu odštiepiť a naviazať na aminoskupiny. Výsledkom je vnútorná soľ. Ak je v molekule prítomných niekoľko karboxylových skupín, potom bude zlúčenina kyslá, ako je kyselina glutámová alebo asparágová. Ak prevažujú aminoskupiny, aminokyseliny sú zásadité (histidín, lyzín, arginín). S rovnakým počtom funkčných skupín má roztok peptidu neutrálnu reakciu. Zistilo sa, že prítomnosť všetkých troch typov aminokyselín ovplyvňuje to, aké vlastnosti budú mať proteíny. Fyzikálno-chemické vlastnosti bielkovín: rozpustnosť, pH, náboj makromolekúl sú určené pomerom kyslých a zásaditých aminokyselín.
Aké faktory ovplyvňujú rozpustnosť peptidov
Poďme zistiť všetky potrebné kritériá, od ktorých závisia procesy hydratácie alebo solvatácie proteínových makromolekúl. Sú to: priestorová konfigurácia a molekulová hmotnosť, určená počtom aminokyselinových zvyškov. Zohľadňuje aj pomer polárnych a nepolárnych častí – radikálov nachádzajúcich sa na povrchu proteínu v terciárnej štruktúre a celkový náboj polypeptidovej makromolekuly. Všetky vyššie uvedené vlastnosti priamo ovplyvňujú rozpustnosť proteínu. Pozrime sa na ne bližšie.
Globuly a ich schopnosť hydratovať
Ak má vonkajšia štruktúra peptidu guľovitý tvar, potom je zvykom hovoriť o jeho globulárnej štruktúre. Je stabilizovaný vodíkovými a hydrofóbnymi väzbami, ako aj silami elektrostatickej príťažlivosti opačne nabitých častí makromolekuly. Napríklad hemoglobín, ktorý prenáša molekuly kyslíka krvou, sa vo svojej kvartérnej forme skladá zo štyroch fragmentov myoglobínu spojených hemom. Krvné proteíny, ako sú albumíny, α- a ϒ-globulíny ľahko interagujú s látkami krvnej plazmy. Inzulín je ďalší globulárny peptid, ktorý reguluje hladiny glukózy v krvi u cicavcov a ľudí. Hydrofóbne časti takýchto peptidových komplexov sú umiestnené v strede kompaktnej štruktúry, zatiaľ čo hydrofilné časti sú umiestnené na jej povrchu. To im zabezpečuje zachovanie prirodzených vlastností v tekutom prostredí tela a spája ich do skupiny vo vode rozpustných bielkovín. Výnimkou sú globulárne proteíny, ktoré tvoria mozaikovú štruktúru membrán ľudských a zvieracích buniek. Sú spojené s glykolipidmi a sú nerozpustné v medzibunkovej tekutine, čo zabezpečuje ich bariérovú úlohu v bunke.
Fibrilárne peptidy
Kolagén a elastín, ktoré sú súčasťou dermy a určujú jej pevnosť a elasticitu, majú vláknitú štruktúru. Dokážu sa natiahnuť a zmeniť svoju priestorovú konfiguráciu. Fibroín je prírodný hodvábny proteín produkovaný larvami priadky morušovej. Obsahuje krátke štruktúrne vlákna, pozostávajúce z aminokyselín s malou hmotnosťou a molekulovou dĺžkou. Sú to predovšetkým serín, alanín a glycín. Jehopolypeptidové reťazce sú orientované v priestore vo vertikálnom a horizontálnom smere. Látka patrí medzi štrukturálne polypeptidy a má vrstvenú formu. Na rozdiel od globulárnych polypeptidov je rozpustnosť proteínu pozostávajúceho z fibríl veľmi nízka, pretože hydrofóbne radikály jeho aminokyselín ležia na povrchu makromolekuly a odpudzujú častice polárneho rozpúšťadla.
Keratíny a vlastnosti ich štruktúry
Vzhľadom na skupinu štrukturálnych proteínov fibrilárnej formy, akými sú fibroín a kolagén, je potrebné sa pozastaviť ešte nad jednou v prírode široko rozšírenou skupinou peptidov – keratíny. Slúžia ako základ pre také časti ľudského a zvieracieho tela, ako sú vlasy, nechty, perie, vlna, kopytá a pazúry. Čo je to keratín z hľadiska jeho biochemickej štruktúry? Zistilo sa, že existujú dva typy peptidov. Prvý má podobu špirálovej sekundárnej štruktúry (α-keratín) a je základom vlasu. Druhú predstavujú tuhšie vrstvené fibrily – ide o β-keratín. Nachádza sa v tvrdých častiach tela zvierat: kopytá, vtáčie zobáky, šupiny plazov, pazúry dravých cicavcov a vtákov. Čo je to keratín na základe toho, že jeho aminokyseliny ako valín, fenylalanín, izoleucín obsahujú veľké množstvo hydrofóbnych radikálov? Je to proteín nerozpustný vo vode a iných polárnych rozpúšťadlách, ktorý plní ochranné a štrukturálne funkcie.
Vplyv pH média na náboj proteínového polyméru
Skôr sme spomenuli, že funkčné skupiny bielkovínmonoméry – aminokyseliny, určujú ich vlastnosti. Teraz dodávame, že od nich závisí aj náboj polyméru. Iónové radikály - karboxylové skupiny kyseliny glutámovej a asparágovej a aminoskupiny arginínu a histidínu - ovplyvňujú celkový náboj polyméru. Odlišne sa správajú aj v kyslých, neutrálnych alebo zásaditých roztokoch. Od týchto faktorov závisí aj rozpustnosť proteínu. Takže pri pH <7 roztok obsahuje nadmernú koncentráciu vodíkových protónov, ktoré inhibujú rozklad karboxylu, takže celkový kladný náboj na molekule proteínu sa zvyšuje.
Akumulácia katiónov v proteíne sa tiež zvyšuje v prípade neutrálneho roztoku a s nadbytkom monomérov arginínu, histidínu a lyzínu. V alkalickom prostredí sa záporný náboj molekuly polypeptidu zvyšuje, pretože prebytok vodíkových iónov sa vynakladá na tvorbu molekúl vody viazaním hydroxylových skupín.
Faktory, ktoré určujú rozpustnosť bielkovín
Predstavme si situáciu, v ktorej je počet kladných a záporných nábojov na proteínovej špirále rovnaký. pH média sa v tomto prípade nazýva izoelektrický bod. Celkový náboj samotnej peptidovej makromolekuly sa stane nulovým a jej rozpustnosť vo vode alebo inom polárnom rozpúšťadle bude minimálna. Ustanovenia teórie elektrolytickej disociácie uvádzajú, že rozpustnosť látky v polárnom rozpúšťadle pozostávajúcom z dipólov bude tým vyššia, čím polarizovanejšie budú častice rozpustenej zlúčeniny. Vysvetľujú tiež faktory, ktoré určujú rozpustnosťproteíny: ich izoelektrický bod a závislosť hydratácie alebo solvatácie peptidu od celkového náboja jeho makromolekuly. Väčšina polymérov tejto triedy obsahuje nadbytok skupín -COO- a má mierne kyslé vlastnosti. Výnimkou budú skôr spomínané membránové proteíny a peptidy, ktoré sú súčasťou jadrovej substancie dedičnosti – chromatínu. Posledne menované sa nazývajú históny a majú výrazné základné vlastnosti v dôsledku prítomnosti veľkého počtu aminoskupín v polymérnom reťazci.
Správanie sa bielkovín v elektrickom poli
Pre praktické účely je často potrebné rozdeliť napríklad krvné bielkoviny na frakcie alebo jednotlivé makromolekuly. Na to môžete využiť schopnosť nabitých molekúl polyméru pohybovať sa určitou rýchlosťou k elektródam v elektrickom poli. Roztok obsahujúci peptidy rôznej hmotnosti a náboja sa umiestni na nosič: papier alebo špeciálny gél. Prechodom elektrických impulzov napríklad cez časť krvnej plazmy sa získa až 18 frakcií jednotlivých bielkovín. Medzi nimi: všetky typy globulínov, ako aj proteínový albumín, ktorý je nielen najdôležitejšou zložkou (tvorí až 60% hmotnosti peptidov krvnej plazmy), ale zohráva aj ústrednú úlohu v procesoch osmózy. a krvný obeh.
Ako koncentrácia soli ovplyvňuje rozpustnosť bielkovín
Schopnosť peptidov vytvárať nielen gély, peny a emulzie, ale aj roztoky je dôležitou vlastnosťou, ktorá odráža ich fyzikálno-chemické vlastnosti. Napríklad predtým študovalalbumíny nachádzajúce sa v endosperme obilných semien, mlieku a krvnom sére rýchlo tvoria vodné roztoky s koncentráciou neutrálnych solí, ako je chlorid sodný, v rozmedzí od 3 do 10 percent. Na príklade tých istých albumínov je možné zistiť závislosť rozpustnosti proteínu od koncentrácie soli. Dobre sa rozpúšťajú v nenasýtenom roztoku síranu amónneho a v presýtenom roztoku sa reverzibilne vyzrážajú a pri ďalšom znížení koncentrácie soli pridaním časti vody obnovia svoj hydratačný obal.
Vysolenie
Vyššie opísané chemické reakcie peptidov s roztokmi solí tvorenými silnými kyselinami a zásadami sa nazývajú vysolovanie. Je založená na mechanizme interakcie nabitých funkčných skupín proteínu s iónmi solí - katiónmi kovov a aniónmi zvyškov kyselín. Končí sa stratou náboja na molekule peptidu, zmenšením jej vodného obalu a adhéziou proteínových častíc. V dôsledku toho sa vyzrážajú, o čom budeme diskutovať neskôr.
Zrážanie a denaturácia
Acetón a etylalkohol ničia vodný obal obklopujúci proteín v terciárnej štruktúre. To však nie je sprevádzané neutralizáciou celkového náboja na ňom. Tento proces sa nazýva precipitácia, rozpustnosť proteínu je výrazne znížená, ale nekončí denaturáciou.
Molekuly peptidov vo svojom prirodzenom stave sú veľmi citlivé na mnohé parametre prostredia, napr.teplota a koncentrácia chemických zlúčenín: solí, kyselín alebo zásad. Posilnenie pôsobenia oboch týchto faktorov v izoelektrickom bode vedie k úplnej deštrukcii stabilizačných intramolekulárnych (disulfidové mostíky, peptidové väzby), kovalentných a vodíkových väzieb v polypeptide. Obzvlášť rýchlo za takýchto podmienok globulárne peptidy denaturujú, pričom úplne strácajú svoje fyzikálno-chemické a biologické vlastnosti.
