Г л а в а 20
БІЛКИ (поліелектроліти)
Білки є основним субстратом життя. Вони входять до складу всіх тваринних організмів.
Білки складають необхідну частину продуктів харчування. Мікробіологічні та біохімічні процеси в організмі, а також в нeкoтopиx технологічних циклах багато в чому oпpeдeляютcя властивостямибілків. Білки є високомолекулярними сполуками і одночасно містять іонізуючі групи, тобто мають властивості поліелектролітів; вони виявляють ряд специфічних колоїдно-хімічних властивостей.
Політелектроліти діляться на полікислоти, поліоснованія і поліамфоліти. Сильні електроліти на відміну від слабких у водних розчинах повністю іонізовані. Сильні електроліти містять сульфо-, сульфатні або фосфатні групи, наприклад, полівінілсульфокіслотние [-CH2 CH (SO3 H) -], а сильні підстави - четвертинні амонієві групи (CH3) 2 -N + (CH3) 2. До слабких відносяться полікислоти, що містять карбоксильну групу, а слабкими підставами є сполуки, що включають первинні, вторинні і третинні аміногрупи.
20.1. Білки як поліелектроліти
Поліелектроліти - це ВМС, до складу макромолекул яких входять групи, здатні до іонізації в розчині. Поліелектроліти містять велику кількість йоногенних груп ( «поли»), а їх розчини здатні пропускати електричний струм ( «електроліти»). Йоногенних групи можуть бути кислотними або основними, а також одночасно кислотними та основними.
До поліелектроліти відносяться деякі іоніти і флокулянти (див. Параграфи 6.5 та 10.7)
Кислотну карбоксильну групу (-СООН) містить розчинна частина крохмалю, а сульфогруппу (-SO3) - розчинна частина агар-агар. Основні властивості поліелектролітів визначаються аминогруппой -NH2. Білки є найбільш поширеними поліелектролітами. Крім кислотних (-СООН) білки містять ще й основні групи (-NH2) і ін. З цієї причини їх можна вважати амфоліти.
Макромолекули білків формуються з амінокислот (NH2 -R-COOH). При взаємодії карбоксильних і аміногруп утворюються пептидні зв'язки
O
||
-C-NH-, які формують поліпептидні ланцюги білків.
У прямокутники укладені пептидні зв'язку, а знаки «-» і «+» вказують на надмірне зарядження, обумовлений зміщенням електронної хмари і визначає гідрофільність макромолекул.
У макромолекулах білків можливе різне поєднання поліпептидних ланцюгів, що формуються за все з 20 простих амінокислот. Число різних поєднань цих кислот визначається числом утворюють макромолекул атомів (порядку 10 3 -10 4) і значною кількістю конформаційних ступенів свободи (10 2 -103). З цієї причини поліпептидний ланцюг може приймати безліч мікроскопічних, конформаційних станів, близько 10 n (n - число амінокислотних залишків, що досягає кілька сотень), що і обумовлює різноманіття білків.
Поліпептидні ланцюги утворюють первинну структуру білків. під якою маються на увазі ковалентная структурна основа макромолекул і певна послідовність амінокислотних залишків. Молекулярна маса макромолекул білків може коливатися в межах від 1,2 ∙ 10 4 до 10 6.
Всі молекули даного природного білка ідентичні за амінокислотним складом, послідовності амінокислотних залишків і довжині поліпептидного зв'язку. Так, гемоглобін крові людини складається з 574 амінокислотних залишків і має молекулярну масу, рівну 64500.
Білки в їх природному стані називають нативними, а їх колоїдні властивості залежать від структури макромолекул; розрізняють глобулярную і фибриллярную структуру білків.
Макромолекули фібрилярних білків представляють собою поліпептидні ланцюги, витягнуті уздовж однієї осі. Фібрилярні білки зазвичай нерозчинні у воді. На рис 20.1 приведена структура фібрилярні білка - кератину волосся. Макромолекули кератину навито одна на іншу подібно канату. В організмі фібрилярні білки часто виконують механічні функції. Так, наприклад, до фібрилярні білок відносяться колаген і желатин - складові частини шкіри і сухожиль, а також міозин, що входить до складу м'язів.
Білки, які здатні до утворення глобул, називають глобулярними (рис. 20.2, а). Глобулярні білки характеризуються специфічною формою згортання поліпептидного ланцюга в просторі. Колоїди-хімічні властивості у глобулярних білків проявляються в більшій мірі, ніж у фібрилярних. Велика частина полярних гідрофільних центрів [см. формулу (20.1)] макромолекул білків знаходиться зовні глобул, що і визначає їх гідрофільність, хорошу розчинність в воді і високу реакційну здатність.
Глобулярні білки містяться в крові, лімфі, протоплазмі клітин. До білків цієї групи відносяться альбуміни і глобуліни яєчного білка, молока, сироватки крові, пепсин шлункового соку і ін.
20.1.Структура макромолекули фібрилярні білка кератину
Головна особливість білків, що визначає їх індивідуальність, полягає в здатності мимовільно формувати крім первинної просторову структуру, властиву тільки даному білку, що можна охарактеризувати як своєрідну самоорганізацію структури.
Згідно з концепцією структурно-функціональної організації білкової макромолекули, нативная тривимірна структура макромолекул білка повністю визначається амінокислотною послідовністю, відповідає мінімуму внутрішньої енергії, а на всіх стадіях мимовільного згортання білкової ланцюга переважають внутрішньо-молекулярні взаємодії валентно-незв'язаних атомів над міжмолекулярними взаємодіями; причому нативная конформація макромолекули білка зобов'язана узгодженим внутрішньо-молекулярні взаємодії валентно-незв'язаних атомів.
Внутрішньомолекулярні взаємодії, які реалізуються за рахунок водневих зв'язків, ван дер Ваальсових і електростатичних сил, можуть бути ближніми, середніми і далекими. Ближні визначають мінімальні конформаційні можливості всередині кожного амінокислотного залишку, середні - поєднання найбільш вигідних конформаційних залишків на локальних ділянках білкової ланцюга, а далекі взаємодії зводяться до утворення між усіма ділянками білкової ланцюга стабілізуючих контактів.
В організації глобул білків найважливішими внутрішньомолекулярними взаємодіями є гідрофобні (див. Параграф 5.5). Вуглеводневі НЕ бічні ланцюги кислотних залишків контактують переважно один з одним, а не з полярними молекулами води. Навпаки, бічні ланцюги воліють взаємодіяти з водою. В результаті білкова ланцюг може згорнутися в глобулу таким чином, що неполярні залишки за рахунок гідрофобних взаємодій виявляться у внутрішній частині макромолекули, а полярні залишки розташуються на поверхні глобули, що стикається з водою.
Крім простих білків, що складаються із залишків амінокислот, існують складні білки, що містять різні групи атомів. До складних білок відносяться: гемоглобін, до складу якого входить железопорфіріновий комплекс; глікопротеїди, що містять молекули вуглеводнів; нуклеопротеїни, які містять нуклеїнові кислоти, а також ліпопротеїди, до складу яких входять молекули жирів і стероїдів.
Крім білків до біологічних ВМС відносяться нуклеїнові кислоти, які містяться у всіх видах живої матерії. Залишки фосфорної кислоти, що входять до макромолекули нуклеїнових кислот, обумовлюють їх властивості як кислотних поліелектролітів. Крім залишків фосфорної кислоти, до складу нуклеїнових кислот входять і інші групи молекул, зокрема пептозанових сахаридов.
Дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) містить дезоксирибози. ДНК спільно з рибонуклеїнової кислоти (РНК) виконує в живому організмі важливу біологічну функцію: визначає спадковість і програмує синтез білка.
Якщо білка з властивою їм здатністю до самоорганізації є активним початком життя, то ДНК виступає в ролі її потенційного початку. Синтез білків в організмі відбувається згідно генетичним кодом, закладеному в структурі нуклеїнових кислот.
Білки - унікальне творіння живих організмів. Будучи продуктами їх життєдіяльності, вони самі забезпечують можливість існування і розвитку організму.
20.2. Білки як колоїдні розчини
Хімічні властивості білків не можна безпосередньо співвіднести з хімічною будовою їх поліпептидного ланцюга. Вони визначаються структурною організацією макромолекул білків.
Розглянемо деякі властивості білків як колоїдних розчинів. Для білків характерний електрофорез (див. Параграф 7.3). Здатність білків до електрофорезу означає, що макромолекула білків утворює подвійний електричний шар (див. Рис. 7.2). Заряд потенціалобразующего шару визначається властивостями макромолекул білка як поліелектролітів.
Довга поліпептидний ланцюг білка [у формулі (20.1) показані тільки дві поліпептидні зв'язку, фактично їх сотні] на кінцях має тільки дві іонізовані групи молекул. У бічних же групах поліпептидних ланцюгів макромолекул білків знаходиться велика кількість йоногенних груп, які здатні диссоциировать в воді за наступною схемою:
Саме бічні групи макромолекул створюють умови для утворення ДЕС.
Знак і значення електричних (? -потенціалу і? -потенціалу будуть визначатися властивостями середовища. При надлишку кислоти, тобто в кислому середовищі, пригнічується дисоціація карбоксильних груп; рівновагу реакції (20.2) зміщується в ліву, а рівновага реакції (20.3) - в праву сторону. макромолекули білка нестимуть надлишковий позитивний заряд і стають полікатіонамі. -потенціал стає більше нуля (?> 0), а при електрофорезі макромолекули білка рухатимуться до катода (рис. 20.3).
У лужному середовищі, при надлишку аніонів ОН - пригнічується дисоціація основних груп, рівновагу реакції (20.3) зміщується в ліву сторону, а рівновага реакції (20.2) - в праву. Макромолекула білка набуває негативний заряд (? 7 спостерігається в розчинах таких білків, як гліадин пшениці, Проламіни і ін.
За допомогою рН середовища можна змінювати іонізуючу здатність макромолекул білків. Константи дисоціації кислотних і основних груп білків не збігаються. З цієї причини число дисоційованому основних і кислотних груп макромолекул білка може бути одним і тим же тільки при певному значенні рН середовища. Такий стан відповідає ізоелектричної точці (ВЕТ), тобто значенням рН середовища, при якому число іонізованих основних груп дорівнює числу іонізованих кислотних груп.
У ВЕТ протівоіони повністю компенсують заряд потенціалобразующего шару (див. Рис. 7.4), і? -потенціал стає рівним нулю.
ВЕТ білків лежить в межах рН від 2 (у пепсину) до 10,6 (у цітрохрома С), але переважно ВЕТ білків відповідає рН + 3 і СОО - можуть притягатися один до одного і закручувати макромолекулу в клубок і навіть в глобулу (ВЕТ рис . 20.4).
При рН, зміщеному по відношенню до ВЕТ, пригнічується дисоціація деяких з функціональних груп; в кислому середовищі [см. рівняння (20.2)] - карбоксильних груп, а в лужному середовищі - аминогрупп [см. рівняння (20.3)]. В результаті залишаються однойменно заряджені групи молекул, які відштовхуються, внаслідок чого макромолекули випрямляються (області I або II).
У ВЕТ властивості розчинів білків змінюються. Згортання макромолекул в клубок знижує в'язкість розчину до мінімального значення (крива 2).
П
Мал. 20.4.Завісімость конформационного стану макромолекули білка (1), коефіцієнта вязкостіі ступеня набуханія (2) від рН середовища: IіII- відповідно області менше і більше ізоелектричної точки (ВЕТ)
віслюку випрямлення макромолекули (області I або II) надають більший опір течією рідини і коефіцієнт в'язкості. а отже і в'язкість ростуть. Таку ж залежність від рН середовища має і ступінь набухання. У ВЕТ деякі білки мають найменшу розчинність і максимальну здатність до розсіювання світла.
Електрофоретична рухливість, яка визначає швидкість електрофорезу і розраховується за формулою (7.16), залежить від заряду макромолекул і? -потенціалу. Змінюючи властивості середовища, можна регулювати іонізуючу здатність білків, змінювати структуру подвійного шару і значення? -потенціалу - тим самим регулювати швидкість електрофорезу; це створює додаткові можливості для поділу суміші білків за допомогою електрофорезу. Для отримання білків з їх суміші необхідно перш за все звільнитися від низькомолекулярних сполук. Для цієї мети використовують діаліз (див. Рис. 12.7, в). Великі макромолекули білків залишаються в ємності, а через напівпроникну перегородку проходять низькомолекулярні домішки.