Амфотерные свойства белков

Недки являются амфотерными электролитами, так как и их молекулах присутствуют как кислотные, так и основ­ные группировки. Влияние сс-амино- и а-карбоксильных фуип на кислотно-основные свойства белков незначитель-мп, тик как в молекулах белков они участвуют в образова­нии пептидных связей'. Амфотерность белкам придают боко-И1.К¹ остатки кислых и основных аминокислот (табл. 4). Присутствие диссоциирующих —NН₂ - и — СООН-групп обусловливает определенный суммарный заряд белковой мо­лекулы, зависящей от рН среды.

Природные белки в зависимости от состава аминокис­лот могут иметь кислый или основной характер. В кислых белках преобладают моноаминодикарбоновьге кислоты (Асп и Глу). Молекула такого белка в растворе заряжена отрица­тельно:

Большинство белков относится к кислым, например аль­бумины, глобулины, казеин, пепсин и др.

В молекулах белков основного характера преобладают ди-аминомонокарбоновые кислоты (Лиз, Арг, Гис). В растворе основные белки несут положительный заряд:

Среди этих белков — папаин, трипсин, лизоцим и др.

Суммарный заряд белковой молекулы, естественно, за­висит от рН среды: в кислой среде он положителен, в щелоч­ной — отрицателен. Распределение заряда на поверхности мо­лекулы неравномерно, различные участки ее могут иметь противоположные заряды, стабилизированные диполями воды. Сдвиг рН среды приводит к изменению характера диссоциа­ции группировок аминокислот, перераспределению зарядов на поверхности молекулы, что является причиной измене­ния пространственной структуры белка, следовательно, его биологической активности.

Наличие большого числа точек диссоциации определяет способность белка взаимодействовать с ионами металлов и другими заряженными макромолекулами, что очень важно для функционирования белков. Изменяя рН среды, можно влиять на константу диссоциации белковой молекулы как кислоты и как основания.

При определенном для каждого белка значении рН можно постичь такого состояния, когда степень кислотной диссоциа­ции станет равной степени диссоциации белка как основания, т.е. , число отрицательных зарядов сравняется с числом положительных зарядов. Заряд такой белковой молекулы в целом практически равен нулю. Значение рН, при котором белок не несет суммарного заряда, называется изоэлектрической точкой.

Изоэлектрическая точка является характерной константой белка и зависит от аминокислотного состава белковой молекулы. Чем выше соотношение кислые/основные амино-кислоты в белке, тем ниже его рН. Для большинства внутриклеточных белков рН находится в области рН от 5,5 до 7,0, что свидетельствует об отрицательном заряде цитоплазмы в ценим. Избыток отрицательных зарядов внутри клетки урав-пшичмивается неорганическими катионами.

Значение изоэлектрической точки очень важно для по­нимания стабильности белков в растворах, так как в ней бел­ьм нгледствие электронейтральности наименее устойчивы. Незаряженные частицы белка могут слипаться друг с другом и выпадать в осадок.

Растворимость белков

Белки — гидрофильные вещества, хорошо растворимые в воде. Под гидратацией понимают связывание диполей воды с ионными и полярными группами. Ионными группами в белках, несущими заряд, являются все —МН₂- и — СООН-группы. В диссоциированном состоянии они притягивают молекулы воды за счет ион-диполъных взаимодействий. Не­ионные (незаряженные) полярные боковые группировки аминокислот (—ОН, — NН, —СО) образуют с водой слабые водородные связи. Вода, связанная ионными группами, очень прочно соединена с макромолекулой белка, отделить ее уда­ется с большим трудом. Молекулы воды, связанные с неион­ными группировками, белком удерживаются менее прочно. Стабильность растворам белков придают заряд белковой молекулы и гидратная оболочка, Каждая молекула белка име­ет суммарный заряд одного знака, что препятствует агрега­ции молекул. Поэтому все факторы, способствующие сохра­нению заряда и гидратной оболочки, облегчают растворимость белка и его устойчивость в растворе. Чем больше полярных аминокислот в белке, тем больше молекул воды связывается. Гидратная вода может составлять до 1/5 массы белка.

Растворимость белков в воде возрастает при небольших концентрациях нейтральных солей. Это объясняется следую­щим: ионы солей, взаимодействуя с противоположными за­рядами в белке, экранируют заряженные группы белковых молекул и тем самым уменьшают белковое взаимодействие. Повышение концентрации нейтральных солей (увеличе­ние ионной силы раствора) оказывает обратное действие. Процесс осаждения белков нейтральными солями называет­ся высаливанием. При больших концентрациях ионов в растворе они оттягивают молекулы воды от полярных групп белка на себя. При этом гидратная оболочка белковой молекулы час­тично снимается, т. е нарушается один из факторов устойчи­вости белка в растворе. Возможно, одновременно происходит нейтрализация зарядов белка ионами солей, что приводит к изменению второго фактора устойчивости (изменению заря­да белка в целом), а следовательно, осаждению белка из ра­створа. Характерной особенностью белков, полученных при высаливании, является сохранение ими своих природных свойств и функций после удаления соли.

Растворимость белков зависит и от растворителя: его рН, состава и температуры. Добавление к белковому раствору сме­шивающихся с водой органических растворителей (этанола, ацетона и др.) уменьшает растворимость белков. При высоких концентрациях растворителей наблюдается выпадение белка в осадок (в связи с уменьшением степени гидратации белка). В растворах белки обладают коллоидными свойствами: они медленно диффундируют, не способны проникать через по­лупроницаемые мембраны, рассеивают свет, характеризуют­ся высокой вязкостью.

Образование коллоидных растворов белками обусловли­вает многие физико-химические явления, наблюдающиеся II биологических жидкостях и организмах в целом. При опре­деленных условиях все коллоидные растворы могут терять текучесть и образовывать гели (студни). Они возникают в ре­зультате объединения молекул в виде сетки, внутреннее про­странство которой заполнено большим количеством раст-иорителя, но при этом разделения на жидкую и твердую фазы не происходит, как в случае коагуляции. В клетках жи­вых организмов белки находятся не только в виде раство­ров, но и гелей (в протоплазме, хрусталике глаза, соедини­тельных тканях и др.). Гелеобразованию легче подвергаются фибриллярные белки. Так, пищевые студни готовят из про­дуктов, содержащим в большом количестве фибриллярные белки (кости, хрящи, мясо). Под действием ферментов мик­роорганизмов белковый раствор — молоко может перехо­дить в гель с образованием кефира, простокваши.

Белковые гели имеют важное физиологическое значение к жизнедеятельности организма. Например, коллагеновые белки костей, сухожилий, кожи и т. п. обладают высокой проч­ностью, эластичностью и упругостью, так как находятся в гелеобразном состоянии. Отложение минеральных солей при старении снижает их упругость и эластичность, что приводит к ряду заболеваний.

Одним из свойств гелей является их способность к набуха­нию — увеличению объема за счет связывания большого ко­личества воды. Такой процесс наблюдается при прорастании семян, при замачивании крупы, при изготовлении теста и т. д. Явление обратное набуханию (отделение воды от геля) называется синерезисом. Оно протекает, например, при дли-имп.пом хранении кефира.

Благодаря наличию гидрофильных и гидрофобных групп пгнки могут влиять на растворимость других веществ, высту-м.чи и роли эмульгаторов. Известно, что эмульгаторами явля-мнгн иещества, стабилизирующие эмульсии типа «вода — лито». В организме человека в эмульгированном состоянии млчодятся жиры в крови и лимфе. Белок образует на поверхности капелек жира (за счет гидрофобных взаимодействий) тонкую пленку, которая притягивает воду (за счет полярных групп) и препятствует слипанию жировых частиц. Казеин молока можно рассматривать как эмульгатор, стабилизирующий природную эмульсию — молоко.

Денатурация белков

Под действием различных факторов нативная простран­ственная структура белковой молекулы может нарушаться: разрушаются четвертичная, третичная и вторичная структу­ры (изменения не затрагивают первичную структуру). Это явление называется денатурацией. Денатурация белка приво­дит к уменьшению или полной потере растворимости, утра­те специфической биологической активности, изменению оп­тических свойств и вязкости и др. При денатурации разрываются связи, стабилизирующие структуру белковой мо­лекулы: ионные, водородные и дисульфидные, нарушается гидрофобное взаимодействие. ГТолипептидная цепь раскручи­вается и находится в растворе в развернутом состоянии или в виде беспорядочного клубка. Степень денатурации белка мо­жет быть различной в зависимости от его физико-химичес­ких свойств, природы денатурирующего агента и времени его действия. Схематично процессы денатурации изображены на рисунке 11. Отметим, что для некоторых белков денатурация обратима (белки мышц). При этом и нативная конформация и биологическая активность белка могут быть восстановлены. Денатурирующие факторы можно разделить на физичес­кие и химические. К физическим агентам относится темпера­тура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучение. Наиболее общим фактором явля­ется нагревание. Тепловая денатурация белков — один из ха­рактерных их признаков. Усиление теплового движения ато­мов полипептидной цепи приводит к разрыву слабых нековалентных связей. Скорость тепловой денатурации суще­ственно зависит от рН среды, ионной силы раствора. Тепло­вая денатурация сопровождается агрегацией белков, выпаде­нием их в осадок. Наиболее полное и быстрое осаждение происходит в изоэлектрической точке.

Белки денатурируют при растирании сухих препаратов, энергичном встряхивании растворов, взбивании и т. д. При лиофилизации белков (высушивание в вакууме путем воз­гонки влаги из замороженного состояния) большинство их не денатурирует, что позволяет использовать этот способ суш­ки для длительного хранения белковых препаратов.

К химическим факторам, вызывающим денатурацию, отно­сятся кислоты, щелочи, органические растворители, поверхно­стно-активные вещества, алкалоиды, тяжелые металлы и т. п.

Денатурация белков играет существенную роль в жизнен­ных процессах. По мере старения организма происходит посте­пенная дена!урация белков и снижение их гидрофильности. Так, при старении семян денатурация белков приводит к потере их способности к прорастанию. Происходящее при денатурации превращение компактной молекулы в беспорядочный клубок облегчает доступ протеолитических ферментов к пептидным связям, которые они разрывают. Поэтому денатурированные белки легче расщепляются ферментами, чем нативные. Следо­вательно, денатурированные белки в желудочно-кишечном трак­те человека будут лучше перевариваться. Этому способствует термическая обработка продуктов, содержащих белки (мясо, рыба). В желудке человека вырабатывается соляная кислота, ко­торая, вызывая денатурацию белков, помогает расщеплению их ферментами и усвоению организмом.

Целый ряд технологических процессов получения пище­вых продуктов (выпечка хлеба и кондитерских изделий, суш­ка макарон, овощей, молока, яичного порошка, изготовле­ние консервов и т. д.) связан с частичной денатурацией белков, входящих в состав сырья.