Skład aminokwasowy i organizacja przestrzenna każdego białka determinują jego właściwości fizykochemiczne. Białka mają właściwości kwasowo-zasadowe, buforowe, koloidalne i osmotyczne.

Białka jako makrocząsteczki amfoteryczne

Białka są amfoterycznymi polielektrolitami, tj. Łączą w sobie, podobnie jak aminokwasy, właściwości kwasowe i zasadowe. Jednakże charakter grup, które nadają białkom właściwości amfoteryczne, jest daleki od tego samego, co aminokwasy. O właściwościach kwasowo-zasadowych aminokwasów decyduje przede wszystkim obecność grup α-aminowych i α-karboksylowych (para kwas-zasada). W cząsteczkach białek grupy te uczestniczą w tworzeniu wiązań peptydowych, a amfoteryczność nadawana jest białkom przez grupy kwasowo-zasadowe bocznych rodników aminokwasów wchodzących w skład białka. Oczywiście każda cząsteczka białka natywnego (łańcuch polipeptydowy) posiada co najmniej jedną końcową grupę α-aminową i α-karboksylową (jeśli białko ma jedynie strukturę trzeciorzędową). W białku o strukturze czwartorzędowej liczba grup końcowych -NH2 i -COOH jest równa liczbie podjednostek, czyli protomerów. Jednak tak mała liczba tych grup nie może wyjaśnić amfoteryczności makrocząsteczek białka. Ponieważ większość grup polarnych znajduje się na powierzchni białek globularnych, określają one właściwości kwasowo-zasadowe i ładunek cząsteczki białka. Właściwości kwasowe białka nadają aminokwasy kwasowe (asparaginowy, glutaminowy i aminocytrynowy), a właściwości zasadowe nadają aminokwasy zasadowe (lizyna, arginina, histydyna). Im więcej aminokwasów kwasowych zawiera białko, tym wyraźniejsze są jego właściwości kwasowe, a im więcej aminokwasów zasadowych zawiera białko, tym wyraźniejsze są jego właściwości podstawowe. Słaba dysocjacja grupy SH cysteiny i grupy fenolowej tyrozyny (można je uznać za słabe kwasy) prawie nie ma wpływu na amfoteryczność białek.

Właściwości buforu. Chociaż białka mają właściwości buforowe, ich pojemność przy fizjologicznych wartościach pH jest ograniczona. Wyjątkiem są białka zawierające dużo histydyny, gdyż jedynie boczna grupa histydyny ma właściwości buforujące w zakresie pH zbliżonym do fizjologicznego. Takich białek jest bardzo niewiele. Hemoglobina, prawie jedyne białko zawierające aż 8% histydyny, jest silnym wewnątrzkomórkowym buforem w czerwonych krwinkach, utrzymującym pH krwi na stałym poziomie.

Ładunek cząsteczki białka zależy od zawartości w niej aminokwasów kwasowych i zasadowych, a dokładniej od jonizacji grup kwasowych i zasadowych rodników bocznych tych aminokwasów. Dysocjacja grup COOH aminokwasów kwasowych powoduje pojawienie się ładunku ujemnego na powierzchni białka, a rodniki boczne aminokwasów zasadowych niosą ładunek dodatni (w wyniku dodania H + do grup głównych). W natywnej cząsteczce białka ładunki rozkładają się asymetrycznie w zależności od przestrzennego ułożenia łańcucha polipeptydowego. Jeśli w białku przeważają aminokwasy kwasowe nad zasadowymi, to na ogół cząsteczka białka jest elektroujemna, czyli jest polianionem i odwrotnie, jeśli przeważają aminokwasy zasadowe, to jest naładowana dodatnio, czyli zachowuje się jak polikacja.

Całkowity ładunek cząsteczki białka zależy oczywiście od pH środowiska: w środowisku kwaśnym jest dodatni, w środowisku zasadowym jest ujemny. Wartość pH, przy której białko ma ładunek zerowy netto, nazywana jest punktem izoelektrycznym białka. W tym momencie białko nie ma już mobilności w polu elektrycznym. Punkt izoelektryczny każdego białka jest określony przez stosunek grup kwasowych i zasadowych bocznych rodników aminokwasów: im wyższy stosunek aminokwasów kwasowych do zasadowych w białku, tym niższy jest jego punkt izoelektryczny. Białka kwaśne mają pH 1< 7, у нейтральных рН 1 около 7, а у основных рН 1 >7. Przy wartości pH poniżej punktu izoelektrycznego białko będzie miało ładunek dodatni, a powyżej – ładunek ujemny. Średni punkt izoelektryczny wszystkich białek cytoplazmatycznych mieści się w granicach 5,5. W rezultacie przy fizjologicznej wartości pH (około 7,0 - 7,4) białka komórkowe mają ogólny ładunek ujemny. Nadmiar ładunków ujemnych białek wewnątrz komórki równoważą, jak już wspomniano, kationy nieorganiczne.

Znajomość punktu izoelektrycznego jest bardzo ważna dla zrozumienia stabilności białek w roztworach, ponieważ białka są najmniej stabilne w stanie izoelektrycznym. Nienaładowane cząstki białka mogą się sklejać i wytrącać.

Właściwości koloidalne i osmotyczne białek

Zachowanie białek w roztworach ma pewne osobliwości. Konwencjonalne roztwory koloidalne są stabilne tylko w obecności stabilizatora, który zapobiega wytrącaniu się koloidów, ponieważ znajduje się na granicy faz substancja rozpuszczona-rozpuszczalnik.

Wodne roztwory białek są stabilne i równowagowe, z czasem nie wytrącają się (nie koagulują) i nie wymagają obecności stabilizatorów. Roztwory białek są jednorodne i w zasadzie można je zaliczyć do roztworów prawdziwych. Jednakże duża masa cząsteczkowa białek nadaje ich roztworom wiele właściwości układów koloidalnych:

• charakterystyczne właściwości optyczne (opalescencja roztworów i ich zdolność do rozpraszania promieni światła widzialnego) [pokazywać] .

  Właściwości optyczne białek. Roztwory białek, szczególnie stężone, charakteryzują się charakterystyczną opalescencją. Gdy roztwór białka zostanie oświetlony z boku, promienie światła w nim stają się widoczne i tworzą świetlisty stożek lub pasek - efekt Tyndalla (w silnie rozcieńczonych roztworach białek opalescencja nie jest widoczna, a świetlisty stożek Tyndalla jest prawie nieobecny). Ten efekt rozpraszania światła tłumaczy się dyfrakcją promieni świetlnych na cząsteczkach białka w roztworze. Uważa się, że w protoplazmie komórki białko występuje w postaci roztworu koloidalnego - zolu. Zdolność białek i innych cząsteczek biologicznych (kwasów nukleinowych, polisacharydów itp.) do rozpraszania światła wykorzystuje się w mikroskopowych badaniach struktur komórkowych: w mikroskopie z ciemnym polem cząstki koloidalne są widoczne jako lekkie wtrącenia w cytoplazmie.

  Zdolność białek i innych substancji wielkocząsteczkowych do rozpraszania światła wykorzystuje się do ich ilościowego określenia metodą nefelometryczną, porównując intensywność rozpraszania światła przez zawieszone cząstki testowe i zol wzorcowy.

• niska szybkość dyfuzji [pokazywać] .

  Niska szybkość dyfuzji. Dyfuzja to spontaniczny ruch cząsteczek substancji rozpuszczonej w wyniku gradientu stężeń (z obszarów o wysokim stężeniu do obszarów o niskim stężeniu). Białka mają ograniczoną szybkość dyfuzji w porównaniu ze zwykłymi cząsteczkami i jonami, które poruszają się setki do tysięcy razy szybciej niż białka. Szybkość dyfuzji białek zależy bardziej od kształtu ich cząsteczek niż od ich masy cząsteczkowej. Białka globularne w roztworach wodnych są bardziej mobilne niż białka fibrylarne.

  Dyfuzja białek jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania komórek. Synteza białek w dowolnej części komórki (tam, gdzie znajdują się rybosomy) może w przypadku braku dyfuzji prowadzić do akumulacji białek w miejscu ich powstawania. Wewnątrzkomórkowa dystrybucja białek następuje poprzez dyfuzję. Ponieważ szybkość dyfuzji białka jest niska, ogranicza to szybkość procesów zależnych od funkcji dyfuzji białka w odpowiednim regionie komórki.

• niezdolność do penetracji błon półprzepuszczalnych [pokazywać] .

  Właściwości osmotyczne białek. Białka ze względu na dużą masę cząsteczkową nie mogą dyfundować przez błonę półprzepuszczalną, natomiast substancje o niskiej masie cząsteczkowej z łatwością przenikają przez takie błony. Ta właściwość białek jest wykorzystywana w praktyce do oczyszczania ich roztworów z zanieczyszczeń o niskiej masie cząsteczkowej. Proces ten nazywa się dializą.

  Brak zdolności białek do dyfuzji przez błony półprzepuszczalne powoduje zjawisko osmozy, czyli przemieszczania się cząsteczek wody przez błonę półprzepuszczalną do roztworu białka. Jeśli roztwór białka zostanie oddzielony od wody membraną celofanową, wówczas cząsteczki wody, próbując osiągnąć równowagę, dyfundują do roztworu białka. Jednakże przemieszczanie się wody do przestrzeni, w której znajduje się białko, zwiększa jej ciśnienie hydrostatyczne (ciśnienie słupa wody), co uniemożliwia dalszą dyfuzję cząsteczek wody do białka.

  Ciśnienie lub siła, którą należy zastosować, aby zatrzymać osmotyczny przepływ wody, nazywa się ciśnieniem osmotycznym. Ciśnienie osmotyczne w bardzo rozcieńczonych roztworach białek jest proporcjonalne do stężenia molowego białka i temperatury bezwzględnej.

  Błony biologiczne są również nieprzepuszczalne dla białka, więc ciśnienie osmotyczne wytwarzane przez białko zależy od jego stężenia wewnątrz i na zewnątrz komórki. Ciśnienie osmotyczne wywołane przez białko nazywane jest również ciśnieniem onkotycznym.

• wysoka lepkość roztworów [pokazywać] .

  Wysoka lepkość roztworów białek. Wysoka lepkość charakteryzuje się nie tylko roztworami białek, ale w ogóle roztworami związków o dużej masie cząsteczkowej. Wraz ze wzrostem stężenia białka wzrasta lepkość roztworu, ponieważ zwiększają się siły adhezji pomiędzy cząsteczkami białka. Lepkość zależy od kształtu cząsteczek. Roztwory białek fibrylarnych są zawsze bardziej lepkie niż roztwory białek globularnych. Na lepkość roztworów duży wpływ ma temperatura i obecność elektrolitów. Wraz ze wzrostem temperatury lepkość roztworów białek maleje. Dodatki niektórych soli, takich jak wapń, zwiększają lepkość, promując adhezję cząsteczek przez mostki wapniowe. Czasami lepkość roztworu białka wzrasta tak bardzo, że traci on płynność i przechodzi w stan podobny do żelu.

• zdolność do tworzenia żeli [pokazywać] .

  Zdolność białek do tworzenia żeli. Interakcja pomiędzy makrocząsteczkami białek w roztworze może prowadzić do powstania sieci strukturalnych, w obrębie których zlokalizowane są uwięzione cząsteczki wody. Takie ustrukturyzowane systemy nazywane są żelami lub galaretkami. Uważa się, że komórkowe białko protoplazmatyczne może przekształcić się w stan żelopodobny. Typowym przykładem jest ciało meduzy przypominające żywą galaretę, w której zawartość wody sięga 90%.

  Żelowanie zachodzi łatwiej w roztworach białek fibrylarnych; przyczynia się do tego ich kształt w kształcie pręta lepszy kontakt końcówki makrocząsteczek. Jest to dobrze znane z codziennej praktyki. Galaretki spożywcze przygotowywane są z produktów (kości, chrząstki, mięsa) zawierających duże ilości białek fibrylarnych.

  W życiu organizmu żelowy stan struktur białkowych ma istotne znaczenie fizjologiczne. Białka kolagenowe kości, ścięgien, chrząstek, skóry itp. charakteryzują się dużą wytrzymałością, elastycznością i sprężystością, ponieważ mają postać żelu. Odkładanie się soli mineralnych podczas starzenia powoduje zmniejszenie ich jędrności i elastyczności. Aktomiozyna, która pełni funkcję skurczową, występuje w komórkach mięśniowych w postaci żelowej lub galaretowatej.

  W żywej komórce zachodzą procesy przypominające przejście zol-żel. Protoplazma komórkowa jest lepką cieczą przypominającą zol, w której znajdują się wyspy o żelowatych strukturach.

Uwodnienie białek i czynniki wpływające na ich rozpuszczalność

Białka są substancjami hydrofilowymi. Jeśli rozpuścisz suche białko w wodzie, to najpierw, jak każdy hydrofilowy związek wielkocząsteczkowy, pęcznieje, a następnie cząsteczki białka zaczynają stopniowo przechodzić do roztworu. Podczas pęcznienia cząsteczki wody wnikają w białko i wiążą się z jego grupami polarnymi. Gęste upakowanie łańcuchów polipeptydowych ulega rozluźnieniu. Spęczniałe białko można uznać za swego rodzaju rozwiązanie odwrotne, czyli roztwór cząsteczek wody w substancji wielkocząsteczkowej – białku. Dalsza absorpcja wody prowadzi do oddzielenia się cząsteczek białka od masy całkowitej i rozpuszczenia. Ale obrzęk nie zawsze prowadzi do rozpuszczenia; Niektóre białka, takie jak kolagen, pozostają spęczniałe po wchłonięciu dużych ilości wody.

Rozpuszczanie wiąże się z hydratacją białek, czyli wiązaniem cząsteczek wody z białkami. Woda hydratacyjna jest tak ściśle związana z makrocząsteczkami białka, że ​​z wielkim trudem można ją oddzielić. Nie oznacza to prostej adsorpcji, ale raczej elektrostatyczne wiązanie cząsteczek wody z polarnymi grupami bocznych rodników aminokwasów kwasowych o ładunku ujemnym i aminokwasów zasadowych o ładunku dodatnim.

Jednakże część wody hydratacyjnej jest związana przez grupy peptydowe, które tworzą wiązania wodorowe z cząsteczkami wody. Na przykład polipeptydy z niepolarnymi grupami bocznymi również pęcznieją, tj. wiążą wodę. Zatem duża ilość wody wiąże kolagen, mimo że białko to zawiera głównie aminokwasy niepolarne. Woda wiążąc się z grupami peptydowymi rozpycha wydłużone łańcuchy polipeptydowe. Jednakże wiązania międzyłańcuchowe (mostki) zapobiegają odrywaniu się cząsteczek białka od siebie i przejściu do roztworu. Podczas ogrzewania surowców zawierających kolagen mostki międzyłańcuchowe we włóknach kolagenowych ulegają rozerwaniu, a uwolnione łańcuchy polipeptydowe przechodzą do roztworu. Ta frakcja częściowo zhydrolizowanego rozpuszczalnego kolagenu nazywana jest żelatyną. Żelatyna wg skład chemiczny zbliżony do kolagenu, łatwo pęcznieje i rozpuszcza się w wodzie, tworząc lepką ciecz. Charakterystyczną właściwością żelatyny jest zdolność do żelowania. Wodne roztwory żelatyny są szeroko stosowane w praktyce medycznej jako środek zastępujący osocze i hemostatyczny, a ich zdolność do tworzenia żeli jest wykorzystywana do wytwarzania kapsułek w praktyce farmaceutycznej.

Czynniki wpływające na rozpuszczalność białek. Rozpuszczalność różnych białek jest bardzo zróżnicowana. Decyduje o tym ich skład aminokwasowy (aminokwasy polarne zapewniają większą rozpuszczalność niż niepolarne), cechy organizacyjne (białka globularne z reguły są lepiej rozpuszczalne niż włókniste) i właściwości rozpuszczalnika. Przykładowo białka roślinne – prolaminy – rozpuszczają się w 60-80% alkoholu, albuminy – w wodzie i słabych roztworach soli, a kolagen i keratyny są nierozpuszczalne w większości rozpuszczalników.

Stabilność roztworów białek zapewnia ładunek cząsteczki białka i otoczka hydratacyjna. Każda makrocząsteczka pojedynczego białka ma całkowity ładunek tego samego znaku, co zapobiega ich sklejaniu się w roztworze i wytrącaniu się. Wszystko, co pomaga utrzymać ładunek i hydratację powłoki, ułatwia rozpuszczalność białka i jego stabilność w roztworze. Istnieje ścisła zależność pomiędzy ładunkiem białka (lub liczbą znajdujących się w nim aminokwasów polarnych) a uwodnieniem: im bardziej polarne aminokwasy znajdują się w białku, tym więcej jest związanej wody (na 1 g białka). Otoczka hydratacyjna białka osiąga czasami duże rozmiary, a woda hydratacyjna może stanowić nawet 1/5 jej masy.

To prawda, że ​​niektóre białka są bardziej nawodnione i mniej rozpuszczalne. Na przykład kolagen wiąże więcej wody niż wiele dobrze rozpuszczalnych białek globularnych, ale nie rozpuszcza się. Zaburzona jest jego rozpuszczalność cechy strukturalne- wiązania krzyżowe pomiędzy łańcuchami polipeptydowymi. Czasami przeciwnie naładowane grupy białkowe tworzą wiele wiązań jonowych (solnych) w obrębie cząsteczki białka lub pomiędzy cząsteczkami białka, co zapobiega tworzeniu się wiązań pomiędzy cząsteczkami wody a naładowanymi grupami białek. Obserwuje się zjawisko paradoksalne: białko zawiera wiele grup anionowych lub kationowych, ale jego rozpuszczalność w wodzie jest niska. Międzycząsteczkowe mostki solne powodują sklejanie się cząsteczek białka i wytrącanie się.

Jakie czynniki środowiskowe wpływają na rozpuszczalność białek i ich stabilność w roztworach?

• Wpływ soli obojętnych [pokazywać] .

  Sole obojętne w małych stężeniach zwiększają rozpuszczalność nawet tych białek, które są nierozpuszczalne czysta woda(na przykład euglobuliny).

• Wyjaśnia to fakt, że jony soli, oddziałując z przeciwnie naładowanymi grupami cząsteczek białka, niszczą mostki solne między cząsteczkami białka. [pokazywać] .

  Wartość pH podłoża wpływa na ładunek białka, a co za tym idzie na jego rozpuszczalność. Najmniej stabilne białko znajduje się w stanie izoelektrycznym, tj. gdy ma całkowity ładunek równy zeru. Usunięcie ładunku umożliwia cząsteczkom białka łatwe zbliżenie się do siebie, sklejenie i wytrącenie. Oznacza to, że rozpuszczalność i stabilność białka będą minimalne przy pH odpowiadającym punktowi izoelektrycznemu białka.

• Wpływ temperatury [pokazywać] .

  Nie ma ścisłego związku pomiędzy temperaturą a charakterem rozpuszczalności białka. Niektóre białka (globuliny, pepsyna, fosforylaza mięśniowa) lepiej rozpuszczają się w roztworach wodnych lub solankowych wraz ze wzrostem temperatury; inne (aldolaza mięśniowa, hemoglobina itp.) są gorsze.

• Wpływ różnie naładowanego białka [pokazywać] .

  Jeśli do roztworu białka będącego polianionem (białko kwasowe) dodamy białko będące polikationem (białko zasadowe), wówczas utworzą one agregaty. W tym przypadku stabilność w wyniku neutralizacji ładunków zostaje utracona i białka wytrącają się. Czasami ta funkcja jest wykorzystywana do izolowania pożądanego białka z mieszaniny białek.

Solenie

Roztwory soli obojętnych znajdują szerokie zastosowanie nie tylko w celu zwiększenia rozpuszczalności białek, np. podczas izolacji go z materiału biologicznego, ale także do selektywnego wytrącania różnych białek, czyli ich frakcjonowania. Proces wytrącania białek obojętnymi roztworami soli nazywany jest wysalaniem. Cechą charakterystyczną białek otrzymywanych metodą wysalania jest to, że po usunięciu soli zachowują one swoje natywne właściwości biologiczne.

Mechanizm wysalania polega na tym, że dodane aniony i kationy roztworu soli usuwają otoczkę hydratacyjną białek, co jest jednym z czynników jego stabilności. Możliwe, że w tym samym czasie następuje również neutralizacja ładunków białkowych przez jony soli, co również przyczynia się do wytrącania białek.

Zdolność do wysalania jest najbardziej widoczna w przypadku anionów soli. W zależności od siły efektu wysalania aniony i kationy ułożone są w następujących rzędach:

• SO 4 2- > C 6 H 5 O 7 3- > CH 3 COO - > Cl - > NO 3 - > Br - > I - > CNS -
• Li + > Na + > K + > Pb + > Cs +

Serie te nazywane są liotropowymi.

Siarczany mają w tej serii silne działanie wysalające. W praktyce do wysalania białek najczęściej stosuje się siarczan sodu i amonu. Oprócz soli białka wytrąca się organicznymi środkami usuwającymi wodę (etanol, aceton, metanol itp.). W rzeczywistości jest to to samo solenie.

Wysalanie jest szeroko stosowane do oddzielania i oczyszczania białek, ponieważ wiele białek różni się wielkością powłoki hydratacyjnej i wielkością ładunków. Każdy z nich ma swoją strefę wysalania, czyli takie stężenie soli, które pozwala na odwodnienie i wytrącenie białka. Po usunięciu środka wysalającego białko zachowuje wszystkie swoje naturalne właściwości i funkcje.

Denaturacja (denatywacja) i renaturacja (renatyzacja)

Pod wpływem różnych substancji zakłócających najwyższe poziomy organizacji cząsteczki białka (wtórny, trzeciorzędowy, czwartorzędowy) przy zachowaniu struktury pierwotnej, białko traci swoje natywne właściwości fizykochemiczne i, co najważniejsze, biologiczne. Zjawisko to nazywa się denaturacją (denatywacją). Jest to typowe tylko dla cząsteczek, które mają złożoną organizację przestrzenną. Peptydy syntetyczne i naturalne nie są zdolne do denaturacji.

Podczas denaturacji ulegają zerwaniu wiązania stabilizujące struktury czwartorzędowe, trzeciorzędowe, a nawet drugorzędowe. Łańcuch polipeptydowy rozwija się i znajduje się w roztworze albo w postaci rozłożonej, albo w postaci losowej cewki. W tym przypadku otoczka hydratacyjna zostaje utracona i białko wytrąca się. Jednakże wytrącone zdenaturowane białko różni się od tego samego białka wytrąconego przez wysalanie, ponieważ w pierwszym przypadku traci swoje natywne właściwości, ale w drugim zachowuje. Wskazuje to, że mechanizm działania substancji powodujących denaturację i wysalanie jest inny. Podczas wysalania natywna struktura białka zostaje zachowana, ale po denaturacji zostaje zniszczona.

Czynniki denaturujące dzielą się na

• fizyczny [pokazywać] .

  DO czynniki fizyczne zalicza się: temperaturę, ciśnienie, naprężenia mechaniczne, promieniowanie ultradźwiękowe i jonizujące.

  Najbardziej badanym procesem jest denaturacja termiczna białek. Była uważana za jedną z cechy charakterystyczne białka. Od dawna wiadomo, że po podgrzaniu białko koaguluje (koaguluje) i wytrąca się. Większość białek jest nietrwała pod wpływem ciepła, ale znane są białka, które są bardzo odporne na ciepło. Na przykład trypsyna, chymotrypsyna, lizozym, niektóre białka błon biologicznych. Białka bakterii żyjących w gorących źródłach są szczególnie odporne na temperaturę. Oczywiście w białkach termostabilnych ruch termiczny łańcuchów polipeptydowych spowodowany ogrzewaniem nie jest wystarczający, aby rozerwać wewnętrzne wiązania cząsteczek białka. W punkcie izoelektrycznym białka łatwiej ulegają denaturacji termicznej. Technikę tę stosuje się w praca praktyczna. Przeciwnie, niektóre białka ulegają denaturacji w niskich temperaturach.

• chemiczny [pokazywać] .

  DO czynniki chemiczne powodujące denaturację to: kwasy i zasady, rozpuszczalniki organiczne (alkohol, aceton), detergenty (detergenty), niektóre amidy (mocznik, sole guanidyny itp.), alkaloidy, metale ciężkie (rtęć, miedź, sole baru, cynk, kadm, itp.). Mechanizm działania denaturacyjnego chemikalia zależy od ich właściwości fizykochemicznych.

  Kwasy i zasady są szeroko stosowane jako środki strącające białka. Wiele białek ulega denaturacji przy ekstremalnych wartościach pH - poniżej 2 lub powyżej 10-11. Ale niektóre białka są odporne na kwasy i zasady. Na przykład histony i protaminy nie ulegają denaturacji nawet przy pH 2 lub pH 10. Silne roztwory etanolu i acetonu również mają działanie denaturujące na białka, chociaż w przypadku niektórych białek te rozpuszczalniki organiczne stosuje się jako środki wysalające.

  Metale ciężkie i alkaloidy od dawna stosowane są jako środki strącające; tworzą silne wiązania z polarnymi grupami białek i tym samym rozrywają układ wiązań wodorowych i jonowych.

  Na szczególną uwagę zasługują sole mocznika i guanidyny, które w wysokich stężeniach (dla mocznika 8 mol/l, dla chlorowodorku guanidyny 2 mol/l) konkurują z grupami peptydowymi o tworzenie wiązań wodorowych. W rezultacie białka o strukturze czwartorzędowej dysocjują na podjednostki, a następnie rozwijają łańcuchy polipeptydowe. Ta właściwość mocznika jest tak uderzająca, że ​​jest szeroko stosowana do wykazania obecności czwartorzędowej struktury białka i znaczenia jego organizacji strukturalnej w realizacji funkcji fizjologicznych.

Właściwości zdenaturowanych białek . Najbardziej typowe oznaki zdenaturowanych białek są następujące.

• Zwiększenie liczby grup reaktywnych lub funkcyjnych w stosunku do natywnej cząsteczki białka (grupy funkcyjne to grupy bocznych rodników aminokwasów: COOH, NH2, SH, OH). Niektóre z tych grup zwykle znajdują się wewnątrz cząsteczki białka i nie są wykrywane przez specjalne odczynniki. Rozwinięcie łańcucha polipeptydowego podczas denaturacji umożliwia wykrycie tych dodatkowych lub ukrytych grup.
• Zmniejszona rozpuszczalność i wytrącanie białka (związane z utratą otoczki hydratacyjnej, rozwinięciem cząsteczki białka z „odsłonięciem” rodników hydrofobowych i neutralizacją ładunków grup polarnych).
• Zmiana konfiguracji cząsteczki białka.
• Utrata aktywności biologicznej spowodowana zakłóceniem natywnej organizacji strukturalnej cząsteczki.
• Łatwiejsze rozszczepienie przez enzymy proteolityczne w porównaniu z białkiem natywnym, przejście zwartej struktury natywnej w ekspandowaną luźną formę ułatwia enzymom dostęp do wiązań peptydowych białka, które niszczą.

Ta ostatnia jakość zdenaturowanego białka jest powszechnie znana. Termiczna lub inna obróbka produktów zawierających białka (głównie mięsa) sprzyja lepszemu ich trawieniu za pomocą enzymów proteolitycznych przewodu pokarmowego. Żołądek ludzi i zwierząt wytwarza naturalny czynnik denaturujący - kwas solny, który denaturując białka, ułatwia ich rozkład przez enzymy. Jednak obecność kwas chlorowodorowy i enzymy proteolityczne nie pozwalają na stosowanie leków białkowych doustnie, ponieważ ulegają one denaturacji i natychmiastowemu rozkładowi, tracąc swoją aktywność biologiczną.

Należy również zauważyć, że substancje denaturujące, które wytrącają białka, są stosowane w praktyce biochemicznej do celów innych niż wysalanie. Technikę wysalania stosuje się do izolowania białka lub grupy białek, a denaturację stosuje się w celu uwolnienia mieszaniny dowolnych substancji od białka. Usuwając białko, można uzyskać roztwór niezawierający białka lub wyeliminować działanie tego białka.

Długo uważano, że denaturacja jest nieodwracalna. Jednak w niektórych przypadkach usunięcie czynnika denaturującego (takie doświadczenia przeprowadzono z użyciem mocznika) przywraca aktywność biologiczną białka. Proces przywracania właściwości fizykochemicznych i biologicznych zdenaturowanego białka nazywany jest renaturacją lub renatywacją. Jeśli zdenaturowane białko (po usunięciu substancji denaturujących) ponownie samoorganizuje się do swojej pierwotnej struktury, wówczas przywracana jest jego aktywność biologiczna.

Strona 4

całkowita liczba stron: 7

Jak wiadomo, białka są podstawą powstania życia na naszej planecie. Ale to kropelka koacerwatu, składająca się z cząsteczek peptydów, stała się podstawą powstania żywych istot. Nie ulega to wątpliwości, ponieważ analiza składu wewnętrznego dowolnego przedstawiciela biomasy pokazuje, że substancje te są obecne we wszystkim: roślinach, zwierzętach, mikroorganizmach, grzybach, wirusach. Co więcej, są one bardzo różnorodne i mają charakter makromolekularny.

Struktury te mają cztery nazwy, wszystkie są synonimami:

• białka;
• białka;
• polipeptydy;
• peptydy.

Cząsteczki białka

Ich liczba jest naprawdę niezliczona. W tym przypadku wszystkie cząsteczki białka można podzielić na dwie duże grupy:

• proste - składają się wyłącznie z sekwencji aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi;
• złożony - strukturę i strukturę białka charakteryzują dodatkowe grupy protolityczne (protetyczne), zwane także kofaktorami.

Jednocześnie złożone cząsteczki mają również swoją własną klasyfikację.

Gradacja złożonych peptydów

1. Glikoproteiny są blisko spokrewnionymi związkami białka i węglowodanów. Grupy prostetyczne mukopolisacharydów są wplecione w strukturę cząsteczki.
2. Lipoproteiny są złożonym związkiem białek i lipidów.
3. Metaloproteiny - jony metali (żelaza, manganu, miedzi i innych) pełnią rolę grupy prostetycznej.
4. Nukleoproteiny stanowią połączenie pomiędzy białkiem i kwasami nukleinowymi (DNA, RNA).
5. Fosfoproteiny - konformacja reszty białkowej i kwasu ortofosforowego.
6. Chromoproteiny są bardzo podobne do metaloprotein, jednak elementem wchodzącym w skład grupy prostetycznej jest cały kompleks kolorowy (czerwony - hemoglobina, zielony - chlorofil i tak dalej).

W każdej rozpatrywanej grupie struktura i właściwości białek są odmienne. Funkcje, które pełnią, różnią się również w zależności od rodzaju cząsteczki.

Struktura chemiczna białek

Z tego punktu widzenia białka to długi, masywny łańcuch reszt aminokwasowych połączonych ze sobą specyficznymi wiązaniami zwanymi wiązaniami peptydowymi. Gałęzie - rodniki - wychodzą ze struktur bocznych kwasów. Tę strukturę molekularną odkrył E. Fischer w początek XXI wiek.

Później bardziej szczegółowo zbadano białka, strukturę i funkcje białek. Stało się jasne, że strukturę peptydu tworzy tylko 20 aminokwasów, ale można je łączyć na różne sposoby. Stąd różnorodność struktur polipeptydowych. Ponadto w procesie życia i pełnieniu swoich funkcji białka mogą ulegać szeregowi przemian chemicznych. W rezultacie zmieniają strukturę i to całkowicie nowy typ znajomości.

Aby rozerwać wiązanie peptydowe, czyli rozbić strukturę białka i łańcucha, należy wybrać bardzo rygorystyczne warunki (działanie wysokie temperatury, kwasy lub zasady, katalizator). Wyjaśnia to wysoka siła w cząsteczce, a mianowicie w grupie peptydów.

Wykrywanie struktury białka w laboratorium odbywa się za pomocą reakcji biuretowej - ekspozycji na świeżo wytrącony polipeptyd (II). Kompleks grupy peptydowej i jonu miedzi daje jasny fioletowy kolor.

Istnieją cztery główne organizacje strukturalne, z których każdy ma swoje własne cechy strukturalne białek.

Poziomy organizacji: struktura pierwotna

Jak wspomniano powyżej, peptyd to sekwencja reszt aminokwasowych z inkluzjami lub bez, koenzymami. Zatem pierwotna jest struktura cząsteczki, która jest naturalnym, naturalnym, prawdziwie aminokwasem połączonym wiązaniami peptydowymi i niczym więcej. Oznacza to, że jest to polipeptyd o strukturze liniowej. Ponadto cechy strukturalne białek tego typu polegają na tym, że taka kombinacja kwasów decyduje o spełnianiu funkcji cząsteczki białka. Dzięki obecności tych cech możliwa jest nie tylko identyfikacja peptydu, ale także przewidywanie właściwości i roli zupełnie nowego, jeszcze nieodkrytego. Przykładami peptydów o naturalnej strukturze pierwszorzędowej są insulina, pepsyna, chymotrypsyna i inne.

Konformacja wtórna

Struktura i właściwości białek tej kategorii nieco się zmieniają. Taka struktura może powstać początkowo w naturze lub gdy pierwotna zostanie poddana silnej hydrolizie, temperaturze lub innym warunkom.

Ta konformacja ma trzy odmiany:

1. Gładkie, regularne, stereoregularne skręty, zbudowane z reszt aminokwasowych, które owijają się wokół głównej osi połączenia. Łączą je tylko te, które powstają pomiędzy tlenem jednej grupy peptydowej i wodorem drugiej. Ponadto konstrukcję uważa się za poprawną ze względu na fakt, że zwoje powtarzają się równomiernie co 4 ogniwa. Taka konstrukcja może być leworęczna lub praworęczna. Jednak w większości znanych białek dominuje izomer prawoskrętny. Takie konformacje są zwykle nazywane strukturami alfa.
2. Skład i struktura białek kolejnego typu różni się od poprzedniego tym, że wiązania wodorowe powstają nie pomiędzy resztami sąsiadującymi z jedną stroną cząsteczki, ale pomiędzy resztami znacznie odległymi i w dość dużej odległości. Z tego powodu cała struktura przybiera postać kilku falistych, wężowych łańcuchów polipeptydowych. Jest jedna cecha, którą musi wykazywać białko. Struktura aminokwasów na gałęziach powinna być jak najkrótsza, jak na przykład glicyna lub alanina. Ten typ konformacji wtórnej nazywany jest arkuszami beta ze względu na ich zdolność do sklejania się, tworząc wspólną strukturę.
3. W biologii trzeci typ struktury białka to złożone, heterogenicznie rozproszone, nieuporządkowane fragmenty, które nie posiadają stereoregularności i są zdolne do zmiany struktury pod wpływem warunków zewnętrznych.

Nie zidentyfikowano żadnych przykładów białek, które w sposób naturalny mają strukturę drugorzędową.

Wykształcenie wyższe

Jest to dość złożona konformacja zwana „globulą”. Co to jest za białko? Jej budowa opiera się na strukturze drugorzędowej, jednak dodawane są nowe rodzaje oddziaływań pomiędzy atomami grup, a cała cząsteczka sprawia wrażenie fałdowania, skupiając się tym samym na tym, że grupy hydrofilowe są skierowane do globuli, a hydrofobowe te na zewnątrz.

To wyjaśnia ładunek cząsteczki białka w koloidalnych roztworach wody. Jakie rodzaje interakcji tu występują?

1. Wiązania wodorowe - pozostają niezmienione pomiędzy tymi samymi częściami, co w strukturze wtórnej.
2. interakcje - zachodzą, gdy polipeptyd jest rozpuszczony w wodzie.
3. Przyciągania jonowe powstają pomiędzy różnie naładowanymi grupami reszt aminokwasowych (rodnikami).
4. Oddziaływania kowalencyjne - mogą tworzyć się pomiędzy określonymi miejscami kwasowymi - cząsteczkami cysteiny, a raczej ich ogonami.

Zatem skład i strukturę białek o strukturze trzeciorzędowej można opisać jako łańcuchy polipeptydowe złożone w kuleczki, zachowujące i stabilizujące swoją konformację dzięki różne typy interakcje chemiczne. Przykłady takich peptydów: kenaza fosfoglicerynianowa, tRNA, alfa-keratyna, fibroina jedwabiu i inne.

Struktura czwartorzędowa

Jest to jedna z najbardziej złożonych globul, jakie tworzą białka. Budowa i funkcje białek tego typu są bardzo różnorodne i specyficzne.

Jaka jest ta konformacja? Jest to kilka (w niektórych przypadkach dziesiątki) dużych i małych łańcuchów polipeptydowych, które powstają niezależnie od siebie. Ale potem, z powodu tych samych interakcji, które rozważaliśmy dla struktury trzeciorzędowej, wszystkie te peptydy skręcają się i przeplatają ze sobą. W ten sposób otrzymuje się złożone globule konformacyjne, które mogą zawierać atomy metali, grupy lipidowe i węglowodany. Przykłady takich białek: polimeraza DNA, otoczka białkowa wirusa tytoniowego, hemoglobina i inne.

Wszystkie badane przez nas struktury peptydowe posiadają własne metody identyfikacji w laboratorium, oparte na nowoczesnych możliwościach stosowania chromatografii, wirowania, mikroskopii elektronowej i optycznej oraz zaawansowanych technologiach komputerowych.

Wykonywane funkcje

Struktura i funkcje białek są ze sobą ściśle powiązane. Oznacza to, że każdy peptyd odgrywa określoną rolę, wyjątkową i specyficzną. Są też takie, które są w stanie wykonać kilka znaczących operacji jednocześnie w jednej żywej komórce. Można jednak wyrazić w uogólnionej formie główne funkcje cząsteczek białka w organizmach żywych:

1. Zapewnienie ruchu. Organizmy jednokomórkowe, organelle lub niektóre typy komórek są zdolne do ruchu, kurczenia się i ruchu. Zapewniają to białka tworzące ich strukturę. układ mięśniowo-szkieletowy: rzęski, wici, błona cytoplazmatyczna. Jeśli mówimy o komórkach niezdolnych do ruchu, to białka mogą przyczyniać się do ich skurczu (miozyna mięśniowa).
2. Funkcja odżywcza lub rezerwowa. Polega na gromadzeniu się cząsteczek białka w jajach, zarodkach i nasionach roślin w celu dalszego uzupełnienia brakujących składników odżywczych. Po rozkładzie peptydy wytwarzają aminokwasy i substancje biologicznie czynne, które są niezbędne do prawidłowego rozwoju organizmów żywych.
3. Funkcja energii. Oprócz węglowodanów, białka mogą również zapewnić siłę organizmowi. Rozpad 1 g peptydu uwalnia 17,6 kJ użytecznej energii w postaci kwasu adenozynotrójfosforowego (ATP), który jest zużywany na procesy życiowe.
4. Sygnalizacja polega na uważnym monitorowaniu zachodzących procesów i przekazywaniu sygnałów z komórek do tkanek, z nich do narządów, z tych ostatnich do układów i tak dalej. Typowy przykład Insulina może służyć jako miara ilości glukozy we krwi.
5. Funkcja receptora. Odbywa się to poprzez zmianę konformacji peptydu po jednej stronie membrany i zaangażowanie drugiego końca w restrukturyzację. To tutaj przesyłany jest sygnał i niezbędne informacje. Najczęściej takie białka są osadzone w błonach cytoplazmatycznych komórek i sprawują ścisłą kontrolę nad wszystkimi przechodzącymi przez nią substancjami. Dostarczają również informacji o zmianach chemicznych i fizycznych w środowisku.
6. Funkcja transportowa peptydów. Odbywa się to za pośrednictwem białek kanałowych i białek transportowych. Ich rola jest oczywista – przenoszenie niezbędnych cząsteczek do miejsc o niskim stężeniu z części o większym stężeniu. Typowym przykładem jest transport tlenu i dwutlenku węgla przez narządy i tkanki przez białko hemoglobinę. Dokonują także dostarczania związków o niskiej masie cząsteczkowej przez błonę komórkową do wnętrza.
7. Funkcja strukturalna. Jedna z najważniejszych funkcji pełnionych przez białko. Strukturę wszystkich komórek i ich organelli zapewniają peptydy. To one, niczym rama, wyznaczają kształt i strukturę. Ponadto wspierają go i modyfikują w razie potrzeby. Dlatego do wzrostu i rozwoju wszystkie żywe organizmy potrzebują białek w swojej diecie. Do takich peptydów należą elastyna, tubulina, kolagen, aktyna, keratyna i inne.
8. Funkcja katalityczna. Dokonują tego enzymy. Liczne i różnorodne, przyspieszają wszelkie reakcje chemiczne i biochemiczne w organizmie. Bez ich udziału zwykłe jabłko w żołądku mogłoby zostać strawione zaledwie w dwa dni, najprawdopodobniej gnijąc przy tym. Pod wpływem katalazy, peroksydazy i innych enzymów proces ten zachodzi w ciągu dwóch godzin. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki tej roli białek zachodzi anabolizm i katabolizm, czyli plastyka i

Rola ochronna

Istnieje kilka rodzajów zagrożeń, przed którymi białka mają chronić organizm.

Po pierwsze, traumatyczne odczynniki, gazy, cząsteczki, substancje o różnym spektrum działania. Peptydy potrafią z nimi oddziaływać chemicznie, przekształcając je w nieszkodliwą formę lub po prostu neutralizując.

Po drugie, fizyczne zagrożenie ranami - jeśli białko fibrynogen nie zostanie w odpowiednim czasie przekształcone w fibrynę w miejscu urazu, wówczas krew nie będzie krzepnąć, co oznacza, że ​​nie nastąpi zator. Wręcz przeciwnie, będziesz potrzebować plazminy peptydowej, która może rozpuścić skrzep i przywrócić drożność naczynia.

Po trzecie, zagrożenie dla immunitetu. Niezwykle ważna jest struktura i znaczenie białek tworzących obronę immunologiczną. Przeciwciała, immunoglobuliny, interferony – to wszystko są ważne i istotne elementy układu limfatycznego i odpornościowego człowieka. Każda obca cząstka, szkodliwa cząsteczka, martwa część komórki lub cała struktura podlega natychmiastowemu badaniu przez związek peptydowy. Dlatego człowiek może samodzielnie, bez pomocy leków, codziennie chronić się przed infekcjami i prostymi wirusami.

Właściwości fizyczne

Struktura białka komórkowego jest bardzo specyficzna i zależy od pełnionej funkcji. Ale właściwości fizyczne wszystkich peptydów są podobne i sprowadzają się do następujących cech.

1. Masa cząsteczki dochodzi do 1 000 000 daltonów.
2. Układy koloidalne powstają w roztworze wodnym. Tam struktura nabiera ładunku, który może się różnić w zależności od kwasowości środowiska.
3. Pod wpływem trudnych warunków (napromieniowanie, kwas lub zasada, temperatura itp.) są w stanie przejść do innych poziomów konformacji, czyli denaturacji. Ten proces w 90% przypadków nieodwracalne. Istnieje jednak również przesunięcie odwrotne – renaturyzacja.

Są to główne właściwości właściwości fizycznych peptydów.

Właściwości fizyczne białek

1. W organizmach żywych białka występują w stanie stałym i rozpuszczonym. Wiele białek to kryształy, jednak nie dają one prawdziwych rozwiązań, ponieważ cząsteczka ma ich dużo duża ilość. Wodne roztwory białek to hydrofilowe koloidy znajdujące się w protoplazmie komórek i są to białka aktywne. Krystaliczne białka stałe są związkami magazynującymi. Zdenaturowane białka (keratyna włosów, miozyna mięśniowa) są białkami pomocniczymi.

2. Wszystkie białka z reguły mają dużą masę cząsteczkową. Zależy od warunków środowiskowych (t°, pH) i metod izolacji i waha się od dziesiątek tysięcy do milionów.

3. Właściwości optyczne. Roztwory białek załamują strumień światła, a im wyższe stężenie białka, tym silniejsze załamanie. Korzystając z tej właściwości, można określić zawartość białka w roztworze. W postaci suchych filmów białka absorbują promienie podczerwone. Są one absorbowane przez grupy peptydowe Denaturacja białka jest wewnątrzcząsteczkową rearanżacją jego cząsteczki, naruszeniem natywnej konformacji, której nie towarzyszy rozerwanie wiązania peptydowego. Sekwencja aminokwasów białka nie ulega zmianie. W wyniku denaturacji struktury drugorzędowe, trzeciorzędowe i czwartorzędowe białka utworzone przez wiązania niekowalencyjne ulegają rozerwaniu, a aktywność biologiczna białka zostaje całkowicie lub częściowo utracona, odwracalnie lub nieodwracalnie, w zależności od czynników denaturujących, intensywność i czas ich działania. Punkt izoelektryczny Białka, podobnie jak aminokwasy, są amfoterycznymi elektrolitami, które migrują w polu elektrycznym z prędkością zależną od ich całkowitego ładunku i pH środowiska. Przy określonej wartości pH każdego białka jego cząsteczki są elektrycznie obojętne. Ta wartość pH nazywana jest punktem izoelektrycznym białka. Punkt izoelektryczny białka zależy od liczby i charakteru naładowanych grup w cząsteczce. Cząsteczka białka jest naładowana dodatnio, jeśli pH ośrodka jest poniżej jej punktu izoelektrycznego, i ujemnie, jeśli pH ośrodka jest powyżej punktu izoelektrycznego białka. W punkcie izoelektrycznym białko ma najniższą rozpuszczalność i największą lepkość, co powoduje najłatwiejsze wytrącenie białka z roztworu - koagulację białka. Punkt izoelektryczny jest jedną z charakterystycznych stałych białek. Jeśli jednak roztwór białka zostanie doprowadzony do punktu izoelektrycznego, samo białko nadal nie wytrąci się. Wyjaśnia to hydrofilowość cząsteczki białka.

• 
  Fizyczny właściwości białka. 1. W organizmach żywych wiewiórki są w stanie stałym i rozpuszczonym. Wiele wiewiórki są jednak kryształami...


• 
  Fizycznie-chemiczny właściwości białka są zdeterminowane ich wielkocząsteczkowym charakterem, zwartością łańcuchów polipeptydowych i względnym rozmieszczeniem reszt aminokwasowych.


• 
  Fizyczny właściwości białka 1. W organizmach żywych wiewiórki są w stanie stałym i wyścigowym. Klasyfikacja białka. Wszystko naturalne wiewiórki(białka) dzielą się na dwie duże klasy...


• 
  Substancje łączące wiewiórki (wiewiórki, węglowodany, lipidy, kwasy nukleinowe) – ligandy. Fizyka-chemiczny właściwości białka


• 
  Pierwotna struktura została zachowana, ale natywne zmieniają się właściwości wiewiórka i funkcja jest zaburzona. Czynniki prowadzące do denaturacji białka


• 
  Fizyczny właściwości białka 1. W organizmach żywych wiewiórki są w stanie stałym i rozpuszczonym... więcej ».


• 
  Fizycznie-chemiczny właściwości białka determinuje ich wielkocząsteczkowy charakter i zwartość.

Kształt cząsteczki białka. Badania natywnej konformacji cząsteczek białek wykazały, że cząstki te w większości przypadków mają kształt mniej lub bardziej asymetryczny. W zależności od stopnia asymetrii, czyli relacji pomiędzy długą (b) i krótką (a) osią cząsteczki białka, wyróżnia się białka globularne (sferyczne) i włókniste (nitkowate).

Globularne to cząsteczki białka, w których złożenie łańcuchów polipeptydowych doprowadziło do powstania struktury kulistej. Wśród nich są ściśle kuliste, elipsoidalne i w kształcie pręta. Różnią się stopniem asymetrii. Na przykład albumina jaja ma b/a = 3, gliadynę pszenicy - 11, a zeinę kukurydzy - 20. Wiele białek w przyrodzie ma kształt kulisty.

Białka włókniste tworzą długie, wysoce asymetryczne włókna. Wiele z nich pełni funkcję konstrukcyjną lub mechaniczną. Są to kolagen (b/a - 200), keratyny, fibroina.

Białka każdej grupy mają swoje własne charakterystyczne właściwości. Wiele białek kulistych jest rozpuszczalnych w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Rozpuszczalne białka fibrylarne charakteryzują się bardzo lepkimi roztworami. Białka globularne z reguły mają dobrą wartość biologiczną - są wchłaniane podczas trawienia, podczas gdy wiele białek fibrylarnych nie.

Nie ma wyraźnej granicy pomiędzy białkami globularnymi i włóknistymi. Wiele białek zajmuje pozycję pośrednią i łączy cechy zarówno kuliste, jak i włókniste. Do takich białek zalicza się na przykład miozyna mięśniowa (b/a = 75) i fibrynogen krwi (b/a = 18). Miozyna ma postać pręcika, zbliżoną do kształtu białek włóknistych, jednak podobnie jak białka globularne jest rozpuszczalna w roztworach soli. Roztwory miozyny i fibrynogenu są lepkie. Białka te są wchłaniane w procesie trawienia. Jednocześnie aktyna, kuliste białko mięśniowe, nie jest wchłaniana.

Denaturacja białek. Natywna konformacja cząsteczek białka nie jest sztywna, jest dość labilna (łac. „labilis” – ślizganie się) i może zostać poważnie zakłócona pod wieloma wpływami. Naruszenie natywnej konformacji białka, któremu towarzyszy zmiana jego natywnych właściwości bez zerwania wiązań peptydowych, nazywa się denaturacją (łac. „denaturare” - pozbawienie naturalnych właściwości) białka.

Denaturacja białek może być spowodowana różnymi przyczynami, prowadząc do zakłócenia oddziaływań słabych, a także do zerwania wiązań dwusiarczkowych, które stabilizują ich natywną strukturę.

Ogrzewanie większości białek do temperatur powyżej 50°C, a także ultrafiolet i inne rodzaje naświetlania wysokoenergetycznego, powodują wzrost drgań atomów łańcucha polipeptydowego, co prowadzi do rozerwania w nich różnych wiązań. Nawet mechaniczne wstrząsanie może powodować denaturację białek.

Denaturacja białek występuje również w wyniku narażenia chemicznego. Silne kwasy lub zasady wpływają na jonizację grup kwasowych i zasadowych, powodując rozerwanie wiązań jonowych i niektórych wodorowych w cząsteczkach białek. Mocznik (H 2 N-CO-NH 2) i rozpuszczalniki organiczne - alkohole, fenole itp. - zakłócają układ wiązań wodorowych i osłabiają oddziaływania hydrofobowe w cząsteczkach białek (mocznik - w wyniku zakłócenia struktury wody, rozpuszczalniki organiczne - w wyniku nawiązania kontaktu z niepolarnymi rodnikami aminokwasowymi). Merkaptoetanol rozkłada wiązania dwusiarczkowe w białkach. Jony metale ciężkie naruszać słabe interakcje.

Podczas denaturacji zmieniają się właściwości białka, a przede wszystkim maleje jego rozpuszczalność. Na przykład podczas gotowania białka koagulują i wytrącają się z roztworów w postaci skrzepów (jak podczas gotowania jajo kurze). Wytrącanie białek z roztworów zachodzi również pod wpływem środków strącających białka, do których zalicza się kwas trichlorooctowy, odczynnik Barnsteina (mieszanina wodorotlenku sodu z siarczanem miedzi), roztwór garbników itp.

Podczas denaturacji zmniejsza się zdolność białka do wchłaniania wody, czyli jego zdolność do pęcznienia; Mogą pojawić się nowe grupy chemiczne, na przykład: pod wpływem kaptoetanolu, grupy SH. W wyniku denaturacji białko traci swoją aktywność biologiczną.

Chociaż podczas denaturacji pierwotna struktura białka nie zostaje uszkodzona, zmiany są nieodwracalne. Jednak na przykład, gdy mocznik jest stopniowo usuwany przez dializę z roztworu zdenaturowanego białka, następuje jego renaturacja: przywracana jest natywna struktura białka, a wraz z nią, w takim czy innym stopniu, jego natywne właściwości. Ta denaturacja nazywana jest odwracalną.

W procesie starzenia się organizmów dochodzi do nieodwracalnej denaturacji białek. Dlatego np. nasiona roślin, nawet w optymalnych warunkach przechowywania, stopniowo tracą swoją żywotność.

Denaturacja białek następuje podczas pieczenia chleba, suszenia makaronu, warzyw, podczas gotowania itp. W rezultacie wzrasta wartość biologiczna tych białek, ponieważ białka zdenaturowane (częściowo zniszczone) są łatwiej wchłaniane w procesie trawienia.

Punkt izoelektryczny białka. Białka zawierają różne grupy zasadowe i kwasowe, które mają zdolność do jonizacji. W środowisku silnie kwaśnym główne grupy (grupy aminowe itp.) Są aktywnie protonowane, a cząsteczki białka uzyskują całkowity ładunek dodatni, aw środowisku silnie zasadowym grupy karboksylowe łatwo dysocjują, a cząsteczki białka uzyskują całkowity ładunek ujemny.

Źródłami ładunku dodatniego w białkach są boczne rodniki reszt lizyny, argininy i histydyny oraz grupa α-aminowa N-końcowej reszty aminokwasowej. Źródłami ładunku ujemnego są rodniki boczne reszt kwasu asparaginowego i kwasu glutaminowego oraz grupa a-karboksylowa C-końcowej reszty aminokwasowej.

Przy określonej wartości pH ośrodka na powierzchni cząsteczki białka występuje równość ładunków dodatnich i ujemnych, tj. jej całkowity ładunek elektryczny okazuje się wynosić równy zeru. Wartość pH roztworu, przy którym cząsteczka białka jest elektrycznie obojętna, nazywana jest punktem izoelektrycznym białka (pi).

Punkty izoelektryczne są stałymi charakterystycznymi białek. Determinuje je skład i struktura aminokwasowa: liczba i położenie reszt aminokwasowych kwasowych i zasadowych w łańcuchach polipeptydowych. Punkty izoelektryczne białek, w których dominują kwasowe reszty aminokwasowe, zlokalizowane są w obszarze pH<7, а белков, в которых преобладают остатки основных аминокислот - в области рН>7. Punkty izoelektryczne większości białek znajdują się w lekko kwaśnym środowisku.

W stanie izoelektrycznym roztwory białek mają minimalną lepkość. Dzieje się tak na skutek zmiany kształtu cząsteczki białka. W punkcie izoelektrycznym przeciwnie naładowane grupy przyciągają się, a białka zwijają się w kulki. Kiedy pH przesuwa się od punktu izoelektrycznego, grupy o podobnym ładunku odpychają się i cząsteczki białka rozwijają się. W stanie rozłożonym cząsteczki białka nadają roztworom większą lepkość niż po zwinięciu w kulki.

W punkcie izoelektrycznym białka mają minimalną rozpuszczalność i mogą łatwo wytrącać się.

Jednak nadal nie następuje wytrącanie białek w punkcie izoelektrycznym. Zapobiegają temu ustrukturyzowane cząsteczki wody, które zatrzymują znaczną część hydrofobowych rodników aminokwasowych na powierzchni kuleczek białkowych.

Białka można wytrącać za pomocą rozpuszczalników organicznych (alkohol, aceton), które zakłócają układ kontaktów hydrofobowych w cząsteczkach białek, a także wysokich stężeń soli (metoda wysalania), które zmniejszają uwodnienie kuleczek białkowych. W tym drugim przypadku część wody trafia do rozpuszczenia soli i przestaje brać udział w rozpuszczaniu białka. Z powodu braku rozpuszczalnika taki roztwór ulega przesyceniu, co powoduje wytrącenie jego części. Cząsteczki białka zaczynają się sklejać i tworząc coraz większe cząstki, stopniowo wytrącają się z roztworu.

Właściwości optyczne białek. Roztwory białek wykazują aktywność optyczną, czyli zdolność do obracania płaszczyzny polaryzacji światła. Ta właściwość białek wynika z obecności w ich cząsteczkach elementów asymetrii - asymetrycznych atomów węgla i prawoskrętnej α-helisy.

Podczas denaturacji białka zmieniają się jego właściwości optyczne, co wiąże się ze zniszczeniem α-helisy. Właściwości optyczne całkowicie zdenaturowanych białek zależą jedynie od obecności w nich asymetrycznych atomów węgla.

Na podstawie różnicy właściwości optycznych białka przed i po denaturacji można określić stopień jego helikalizacji.

Jakościowe reakcje na białka. Białka charakteryzują się reakcjami barwnymi ze względu na obecność w nich pewnych grup chemicznych. Reakcje te są często wykorzystywane do wykrywania białek.

Po dodaniu siarczanu miedzi i zasady do roztworu białka pojawia się liliowy kolor z powodu tworzenia kompleksów jonów miedzi z grupami peptydowymi białka. Ponieważ tę reakcję wywołuje biuret (H2N-CO-NH-CO-NH2), nazywa się ją biuretem. Często wykorzystuje się ją do ilościowego oznaczania białka, obok metody I. Kjeldahla, gdyż intensywność uzyskanej barwy jest proporcjonalna do stężenia białka w roztworze.

Podczas ogrzewania roztworów białek ze stężonym kwas azotowyŻółty kolor pojawia się w wyniku tworzenia się nitropochodnych aminokwasów aromatycznych. Ta reakcja nazywa się ksantoproteina(Greckie „ksantos” - żółty).

Po podgrzaniu wiele roztworów białek reaguje z roztworem azotanu rtęci, który tworzy złożone związki z fenolami i ich pochodnymi kolor malinowy. Jest to jakościowa reakcja Millona na tyrozynę.

W wyniku ogrzewania większości roztworów białek z octanem ołowiu w środowisku zasadowym wytrąca się czarny osad siarczku ołowiu. Reakcja ta służy do wykrywania aminokwasów zawierających siarkę i nazywa się ją reakcją Folla.

Punkt izoelektryczny

Amfoteryczność - właściwości kwasowo-zasadowe białek.

Struktura czwartorzędowa

Wiele białek składa się z kilku podjednostek (protomerów), które mogą mieć ten sam lub inny skład aminokwasowy. W tym przypadku białka mają struktura czwartorzędowa. Białka zwykle zawierają parzystą liczbę podjednostek: dwie, cztery, sześć. Oddziaływanie zachodzi dzięki wiązaniom jonowym, wodorowym i siłom van der Waalsa. Hemoglobina ludzka u dorosłych składa się z czterech identycznych podjednostek ( A 2 β 2).

Struktura czwartorzędowa zapewnia wiele korzyści biologicznych:

a) następuje oszczędność materiału genetycznego, maleje długość genu strukturalnego i mRNA, w którym zapisana jest informacja o pierwotnej strukturze białka.

b) istnieje możliwość wymiany podjednostek, co pozwala na zmianę działania

enzym w związku ze zmieniającymi się warunkami (dostosować). Hemoglobina

noworodek składa się z białek ( A 2 γ 2) . ale w pierwszych miesiącach kompozycja staje się jak u osoby dorosłej (2β 2) .

8.4. Właściwości fizykochemiczne białek

Białka, podobnie jak aminokwasy, są związkami amfoterycznymi i mają właściwości buforujące.

Białka można podzielić na neutralny, kwaśny i zasadowy.

Białka neutralne zawierać równa liczba grupy podatne na jonizację: kwasowe i zasadowe. Punkt izoelektryczny takich białek znajduje się w środowisku zbliżonym do obojętnego, jeśli pH< pI , то белок становится положительно заряженным катионом, pH >pI, wówczas białko staje się ujemnie naładowanym anionem.

NH3 - białko - COOH<-->+ NH 3 - białko - COO –<-->NH 2 - białko - COO –

pH< pI roztwór wodny I pH > pi

Białka kwaśne zawierać nierówna liczba grup podatnych na jonizację: jest więcej grup karboksylowych niż aminowych. W roztworze wodnym uzyskują ładunek ujemny, a roztwór staje się kwaśny. Po dodaniu kwasu (H+) białko najpierw wchodzi w punkt izoelektryczny, a następnie w nadmiarze kwasu ulega przekształceniu w kation. W środowisku zasadowym takie białko jest naładowane ujemnie (zanika ładunek grupy aminowej).

Białko kwaśne

NH 3 - białko - COO – + H + + NH 3 - białko - COO – + H + + NH 3 - białko - COOH

| <--> | <--> |

COO – COON COOH

Roztwór wodny pH = p I pH< liczba pi

Białko w nadmiarze kwasu

naładowany dodatnio

Białko kwaśne w środowisku zasadowym ma ładunek ujemny

NH 3 - białko - COO – OH – NH 2 - białko - COO –

| <--> |

dyrektor operacyjny – dyrektor operacyjny –

pH > pi

Podstawowe białka zawierać nierówna liczba grup podatnych na jonizację: jest więcej grup aminowych niż karboksylowych. W roztworze wodnym uzyskują ładunek dodatni, a roztwór staje się zasadowy. Po dodaniu zasady (OH –) białko najpierw przechodzi w punkt izoelektryczny, a następnie w nadmiarze zasady zamienia się w anion. W środowisku kwaśnym takie białko jest naładowane dodatnio (zanika ładunek grupy karboksylowej)