Осмотические и онкотические свойства, оптические свойства
Физико-химические свойства белков зависят в основном от свойств боковых радикалов аминокислот, входящих в их состав, а также от количества свободных функциональных групп, в том числе аминных и карбоксильных, которые не были использованы для образования пептидных связей. Белки характеризуются высокой вязкостью растворов, незначительной диффузией, способностью к набуханию в больших пределах, оптической активностью, подвижностью в электрическом поле, низким осмотическим и высоким онкотическим давлением, способностью к поглощению УФ-лучей при 280 нм (это свойство, обусловленное наличием в белках ароматических аминокислот, используется для количественного определения белков).
Многие белки хорошо растворяются в воде, что обусловлено наличием на поверхности белковой молекулы свободных гидрофильных групп (– OH, – NH2, – COOH и др.). Растворимые белки ‒ гидрофильные коллоиды, активно связывающие воду; их растворы обладают значительной вязкостью, низким осмотическим давлением. Различные белки растворяются по-разному. Белки опорных тканей (кератин, проколлаген, коллаген, эластин и др.) нерастворимы в воде. Растворимость белка в воде зависит от характера белка, реакции среды и присутствия электролитов. В кислой среде лучше растворяются белки, обладающие кислыми свойствами (альбумины, глобулины, проламины, глютелины); щелочные белки (протамины, гистамины) лучше растворяются в щелочной среде. Различия в растворимости отмечаются как среди кисло-, так и среди щелочнореагирующих белков. Альбумины растворяются в дистиллированной воде, а глобулины растворяются в воде только в присутствии электролитов. Белки, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH2- и СООН-групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований. В зависимости от реакции среды и соотношения кислых и основных аминокислот белки в растворе несут отрицательный или положительный заряд, перемещаясь к аноду или катоду. Это свойство используется при очистке белков методом электрофореза.
Белки обладают явно выраженными гидрофильными свойствами. Молекулы белка не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны (целлофан, пергамент, коллодий), а также биомембраны растительных и животных тканей.
Характерной константой белков является изоэлектрическая точка – pI. В изоэлектрической точке суммарный заряд белков, обладающих амфотерными свойствами, равен нулю и белки не перемещаются в электрическом поле. Зная аминокислотный состав белка, можно приближенно определить изоэлектрическую точку. Изоэлектрическая точка большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о частичном преобладании кислых аминокислот. Однако в природе имеются белки, у которых значения изоэлектрических точек лежат в крайних значениях рН среды. В частности, величина рI пепсина (фермент желудочного сока) равна единице, сальмина (основной белок из молоки семги) – почти двенадцати.
В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок. Изоэлектрическая точка белка в сильной степени зависит от присутствия в растворе ионов солей; в то же время на ее величину не влияет концентрация белка.
В химии белков существует понятие «изоионная точка белка». Раствор белка называется изоионным, если он не содержит никаких других ионов, кроме ионизированных остатков аминокислот белковой молекулы и ионов, образующихся при диссоциации воды. Для освобождения белка от посторонних ионов его раствор обычно пропускают через колонку, наполненную смесью анионо- и катионообменников. Изоионной точкой данного белка принято называть значение рН изоионного раствора этого белка:
[H+] + [P] ∙ Z = [OH-],
где [Р] – молярная концентрация белка; Z – средний заряд молекулы.
Согласно этому уравнению, изоионная точка белка зависит от его концентрации. Очевидно, поэтому белок, за исключением случая, когда рI равно семи, не может быть одновременно изоэлектрическим и изоионным.
Белки обладают оптической активностью (способностью вещества вращать плоскость поляризации проходящего через него света), поскольку состоят из аминокислот, которые являются энантиомерами.
Все белки, как правило, поглощают ультрафиолетовый свет. На этом свойстве основан спектрофотометрический метод определения белков (по интенсивности поглощения при 280 нм). Обусловлено поглощение в УФ области спектра присутствием в белке ароматических аминокислот – Trp, Tyr, Phe. Условно принято, одна единица оптической плотности раствора при 280 нм соответствует концентрации белка, равной примерно 1 мг/мл (при толщине кюветы 1 см).
Белковые растворы обладают также способностью флуоресцировать – испускать квант света при переходе из электронно-возбужденного состояния в основное. Флуоресцирующими аминокислотными остатками в белках являются Trp, Tyr, Phe.
В видимом диапазоне (380-780 нм) можно определять содержание окрашенных белков – хромопротеинов (гемоглобина, цитохромов и др.). В инфракрасной области спектра (780-10000 нм) поглощают все белки. ИК-спектры используют для определения α-спиральных, β-структурных и аморфных участков в белковых молекулах.
Для растворов белка характерен эффект Тиндаля – рассеивание света белковыми частицами (при боковом освещении виден светящийся конус).