2.5. Фізико-хімічні властивості білків

Амінокислотний склад і просторова організація кожного білка визначають його фізико-хімічні властивості. Найважливішою ознакою білків є їх велика молекулярна маса. Вона коливається від 6000 до декількох мільйонів.

Амфотерні властивості білків

Білки є амфотерними електролітами, тому що в їхніх молекулах присутні як кислотні, так і основні угруповання. Вплив -аміно- і -карбоксильних груп на кислотно-основні властивості білків незначний, тому що в молекулах білків вони беруть участь в утворенні пептидних зв'язків. Амфотерність білкам додають бічні залишки кислих і основних амінокислот. Присутність дисоціюючих -NH₂- і -СООН-груп обумовлює визначений сумарний заряд білкової молекули, що залежить від рН середовища.

Природні білки в залежності від складу амінокислот можуть мати кислий або основний характер. У кислих білках переважають моноамінодикарбонові кислоти (Асп і Глу). Молекула такого білка в розчині заряджена негативно. Більшість білків відноситься до кислих, наприклад альбуміни, глобуліни, казеїн, пепсин і ін.

У молекулах білків основного характеру переважають диаміномонокарбонові кислоти (Лиз, Aрг, Гис). У розчині основні білки несуть позитивний заряд: серед цих білків - папаїн, трипсин, лізоцим і ін.

Сумарний заряд білкової молекули, природно, залежить від рН середовища: у кислому середовищі він позитивний, у лужному - негативний. Розподіл заряду на поверхні молекули нерівномірний, різні ділянки її можуть мати протилежні заряди, стабілізовані диполями води. Зрушення рН середовища призводить до зміни характеру дисоціації угруповань амінокислот, перерозподілу зарядів на поверхні молекул, що є причиною зміни просторової структури білка, отже, його біологічної активності.

Змінюючи рН середовища, можна впливати на константу дисоціації білкової молекули як кислотами, так і основами.

При визначеному для кожного білка значенні рН можна досягти такого стану, коли ступінь кислотної дисоціації стане рівним ступеню дисоціації білка як основи, тобто число негативних зарядів зрівнюється з числом позитивних. Заряд такої білкової молекули в цілому практично дорівнює нулю. Значення рН, при якому білок не несе сумарного заряду, називається ізоелектричною точкою.

Ізоелектрична точка є характерною константою білка і залежить від амінокислотного складу білкової молекули. Чим вище співвідношення кислі/основні амінокислоти в білку, тим нижче його рН. Для більшості внутрішньоклітинних білків рН знаходиться в області від 5,5 до 7,0, що свідчить про негативний заряд цитоплазми в цілому. Надлишок негативних зарядів усередині клітки врівноважується неорганічними катіонами.

Значення ізоелектричної точки дуже важливо для розуміння стабільності білків у розчинах, тому що в ній білки внаслідок електронейтральності найменш стійкі. Незаряджені частки білка можуть злипатися один з одним і випадати в осад.

Розчинність білків

Білки - гідрофільні речовини, тобто добре розчинні у воді. Під гідратацією розуміють зв'язування диполів води з іонними і полярними групами. Іонними групами в білках, що несуть заряд, є усі -NH₂ і СООН -групи. У дисоційованому стані вони притягують молекули води за рахунок іон-дипольних взаємодій. Неіонні (незаряджені) полярні бічні угруповання амінокислот (-ОН, -NH, -С) утворюють з водою слабкі водневі зв'язки. Вода, зв'язана іонними групами, дуже міцно з'єднана з макромолекулою білка, відокремити її вдається з великими зусиллями. Молекули води, зв'язані з неіонними угрупованнями, білком утримуються менш міцно.

Стабільність розчинам білків додають заряд білкової молекули і гідратна оболонка. Кожна молекула білка має сумарний заряд одного знака, що перешкоджає агрегації молекул. Тому усі фактори, що сприяють збереженню заряду і гідратної оболонки, полегшують розчинність білка і його стійкість у розчині. Чим більше полярних амінокислот у білку, тим більше молекул води зв'язується. Гідратна вода може складати до 1/5 маси білка.

Розчинність білків у воді зростає при невеликих концентраціях нейтральних солей. Це пояснюється тим, що іони солей, взаємодіючи з протилежними зарядами в білку, екранують заряджені групи білкових молекул і тим самим зменшують білкову взаємодію.

Підвищення концентрації нейтральних солей (збільшення іонної сили розчину) робить зворотну дію. Процес осадження білків нейтральними солями називається висолюванням. При великих концентраціях іонів у розчині вони відтягають молекули води від полярних груп білка на себе. При цьому гідратна оболонка білкової молекули частково знімається, тобто порушується один з факторів стійкості білка в розчині. Можливо, одночасно відбувається нейтралізація зарядів білка іонами солей, що призводить до зміни другого фактора стійкості (зміні заряду білка в цілому), а отже, осадженню білка з розчину. Характерною рисою білків, отриманих при висолюванні, є збереження ними своїх природних властивостей і функцій після видалення солі.

Розчинність білків залежить і від розчинника: його рН, складу і температури. Додавання до білкового розчину органічних розчинників, що змішуються з водою, (етанолу, ацетону й ін.) зменшує розчинність білків. При високих концентраціях розчинників спостерігається випадання білка в осад (у зв'язку зі зменшенням ступеня гідратації білка).

У розчинах білки мають колоїдні властивості: вони повільно дифундують, не здатні проникати через напівпроникні мембрани, розсіюють світло, характеризуються високою в'язкістю.

Утворення колоїдних розчинів білками обумовлює багато фізико-хімічних явищ, що спостерігаються в біологічних рідинах і організмах у цілому. За певних умов усі колоїдні розчини можуть втрачати плинність і утворювати гелі (драглі). Вони виникають у результаті об'єднання молекул у виді сітки, внутрішній простір якої заповнено великою кількістю розчинника, але при цьому поділу на рідку і тверду фази не відбувається, як у випадку коагуляції. У клітинах живих організмів білки знаходяться не тільки у виді розчинів, але і гелів (у протоплазмі, кристалику ока, сполучних тканинах і ін.). Гелеутворенню легше піддаються фібрилярні білки. Так, харчові драглі готують із продуктів, що містять у великій кількості фібрилярні білки (кістки, хрящі, м'ясо). Під дією ферментів мікроорганізмів білковий розчин - молоко може переходити в гель з утворенням кефіру, кисляку.

Білкові гелі мають важливе фізіологічне значення в життєдіяльності організму. Наприклад, колагенові білки кісток, сухожиль, шкіри мають високу міцність, еластичність і пружність, тому що знаходяться в гелеподібному стані. Відкладення мінеральних солей при старінні знижує їхню пружність і еластичність, що призводить до ряду захворювань.

Однією із властивостей гелів є їхня здатність до набрякання - збільшення обсягу за рахунок зв'язування великої кількості води. Такий процес спостерігається при проростанні насіння, при замочуванні крупи, при виготовленні тесту і т.д.

Явище зворотнє набряканню (відділення води від гелю) називається синерезисом. Воно протікає, наприклад, при тривалому збереженні кефіру.

Завдяки наявності гідрофільних і гідрофобних груп білки можуть впливати на розчинність інших речовин, виступаючи в ролі емульгаторів. Відомо, що емульгаторами є речовини, що стабілізують емульсії типу "вода - олія". В організмі людини в емульгованому стані знаходяться жири в крові і лімфі. Білок утворює на поверхні крапельок жиру (за рахунок гідрофобних взаємодій) тонку плівку, що притягує воду (за рахунок полярних груп) і перешкоджає злипанню жирових часток. Казеїн молока можна розглядати як емульгатор, що стабілізує природну емульсію - молоко.