Белки как полиэлектролиты

Одной из важных проблем, возникающих при изучении ВМС, является проблема появления на поверхности макромолекул заряда. Поверхность макромолекулы может иметь собственный заряд, возникающий благодаря расположенным на ней анионным и катионным группам. Белки, например, содержат карбоксильные анионы, несущие отрицательный заряд, и протонированные основные группы, которые сообщают молекуле положительный заряд. Нуклеиновые кислоты заряжены отрицательно, что обусловлено диссоциацией фосфатных групп, которые в структуре остова молекулы чередуются с молекулами пентозы. Макромолекулы, не содержащие ионизируемых групп, могут связывать ионы растворителя или другие имеющиеся в растворе ионы за счёт поляризации вблизи гидроксигрупп или атомов кислорода, входящих в состав макромолекул. Таким образом, заряженная поверхность макромолекул является одной из особенностей отличающей их от молекул низкомолекулярных веществ. Многие макромолекулы являются примером полиэлектролитов. Полиэлектролиты это полимеры, в макромолекулах которых содержатся ионогенные группы. В растворе макромолекула полиэлектролита представляет собой полиион, окруженный эквивалентным количеством противоионов, малых по размеру с зарядами противоположного знака.

Белки и аминокислоты в водных растворах находятся преимущественно в форме биполярных ионов:

H₂N – R – COOH ↔ H₃N⁺ – R - COO^‾

БИПОЛЯРНЫЙ ИОН

(ЦВИТТЕР-ИОН)

В кислой среде, когда в растворе имеется избыток ионов водорода, подавляется ионизация карбоксильных групп, молекула белка ведёт себя как основание:

H₃N⁺ – R - COO^‾ + Н⁺ → H₃N⁺ – R – COOН

Молекула присоединяет протон и становится положительно заряженным поликатионом.

В щелочной среде, в которой много гидроксид ионов, будет подавляться диссоциация аминогрупп:

H₃N⁺ – R - COO^‾ + ОН ^‾ → H₂N – R – COO^‾ + Н₂О

и молекула превращается в отрицательно заряженный полианион, т.е. молекула ведёт себя как кислота.

Величина и знак заряда белков, находящихся в растворе, зависит от рН среды. Это обстоятельство обусловлено неодинаковым числом ионогенных групп – СООН и – NH₂. Например, у таких белков, как казеин, желатин, альбумин и некоторых других, в водных растворах кислотные группы превалируют над основными и рН раствора будет меньше 7. Преобладание основных групп (-NH₂) приводит к тому, что рН > 7. Это наблюдается в растворах таких белков, как глиадин пшеницы, проламин и др.

Меняя рН среды, можно изменять ионизирующую способность макромолекул белков. Константы диссоциации кислотных и основных групп белков не совпадают. По этой причине число диссоциированных основных и кислотных групп макромолекул белка может быть одним и тем же только при определённом значении рН среды. Такое состояние соответствует изоэлектрической точке (ИЭТ), т.е. значению рН среды, при котором число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп.

Изоэлектрическим состоянием белка называется состояние белковой молекулы, при котором её положительные и отрицательные заряды взаимно скомпенсированы.

Молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно считать нейтральной, хотя в ней имеются ионизированные группы.

Условно молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно изобразить так:

⁺NH₃ –R – COO ^‾

Изоэлектрическая точка белка (ИТБ) – это значение рН, при котором белок переходит в изоэлектрическое состояние.

ИЭТ белков лежит в пределах рН от 2 (у пепсина) до 10,6 (у цитохрома С), но преимущественно ИЭТ белков соответствует рН < 7. ИЭТ некоторых белков достигается при следующих значениях рН_ИЭТ: пепсина (фермент желудочного сока) – 2,0; казеина (белок, образующийся при свёртывании молока) – 4,6; альбумина яйца – 4,8; карбоксигемоглобина – 6,87; химотрипсина (фермент сока поджелудочной железы) – 8,6.

В изоэлектрическом состоянии свойства растворов белков резко меняются: при этом они имеют, например, наименьшую вязкость, плохую растворимость, что связано с изменением формы макромолекул. При значении рН, близком к изоэлектрической точке, разноименно заряженные группы – (NH₃)⁺ и СОО^‾ притягиваются друг к другу и макромолекула закручивается в спираль. При смещении рН среды от изоэлектрической точки одноимённо заряженные группы отталкиваются и цепь выпремляется. Молекулы ВМС в развёрнутом состоянии придают раствором более высокую вязкость, чем молекулы ВМС, свёрнутые в спираль или клубок.