1.3. Физико-химические свойства белков
Молекулярная масса
Молекулярная масса белков колеблется в больших пределах – от нескольких тысяч до миллионов дальтон (табл.3).
Таблица 3
-
Белок
Молекулярная масса,
Да
Инсулин
Миоглобин
Пепсин
Яичный альбумин
Гемоглобин эритроцитов крови
Альбумин крови
Миозин
Белок вируса табачной мозаики
5 800
17 000
36 000
46 000
68 000
176 000
850 000
40 000 000
Кристаллизация
Белки кристаллизуются из своих растворов в виде кристаллов разной формы: игл, ромбов и др.
Коллоидное состояние
Белки присутствуют в растворах в виде больших частиц диаметром 0,1-0,001 μ, что придает коллоидный характер растворам, т.е. способность рассеивать свет; неспособность проникать через полупроницаемые мембраны, иметь большую вязкость. Коллоидные свойства лежат в основе очистки и разделения белков методом диализа.
Оптические свойства
Все белки поглощают ультрафиолетовое излучение; белковые растворы способны преломлять свет. Оптические свойства лежат в основе методов количественного определения белков.
Растворимость
К
Растворимость белка в воде связана с гидратацией, т.е. образованием вокруг белковой молекулы водного слоя (гидратной оболочки), препятствующей слипанию молекул белка. Растворимость можно уменьшать, добавляя нейтральные соли, денатурируя белки и изменяя рН среды.
аждый белок обладает определенной растворимостью, зависящей от его природы, т.е. наличия гидрофильных: ОН-, SH-, NH2-, COOH- и гидрофобных групп : CH3-CH2-, C6H5- и растворителя.
Высаливание
Осаждение белков из водных растворов под действием нейтральных солей называется высаливанием. Высокие концентрации нейтральных солей: хлорида натрия, сульфата натрия, сульфата магния, сульфата аммония и др. приводит к оттягиванию диполей воды этими солями. Белковые частицы обезвоживаются и в результе белок выпадает в осадок (рис. 6).
Рис. 6. Высаливание белков
Водорастворимые белки альбумины высаливаются при 100% от насыщения сульфатом аммония, а солерастворимые белки глобулины – при 50% от насыщения сульфатом аммония, т.к. глобулины окружены сольватной оболочкой, состоящей из диполей воды и ионов солей.
Высаливание является обратимым процессом, т.е. добавление воды к осадку белка вновь приведет к его растворению. Поэтому высаливание применяется для выделения белков в нативном виде из растворов.
Денатурация
Денатурация – это разрушение всех структур белка, кроме первичной. Денатурация проявляется в изменении формы белка, потере растворимости, коагуляции (свертывании), увеличении реактивности высвобождаемых функциональных групп, потере биологической активности (рис.7).
Рис. 7. Денатурация белка
Ф
Рис. 5. Денатурация белка
акторы, вызывающие денатурацию: физические: температура свыше 50 о С, ультразвук, инфракрасное излучение, ультрафиолетовые лучи, γ-лучи, рентгеновские лучи и химические – действие тяжелых металлов, органических растворителей: спирта, ацетона (при низких температурах), сильных неорганических и органических кислот, щелочей, солей тяжелых металлов.
Денатурация – необратимый процесс, т.к. при разворачивании полипептидной цепи высвобождаются гидрофобные группы, отталкивающие диполи воды, в результате чего белок становится нерастворим в воде.
Изоэлектрическое состояние
Белки в растворе являются амфолитами, т.е. они могут обладать свойствами кислот и оснований в результате диссоциации карбоксильных и аминогрупп аминокислотных остатков:
Величина заряда белка зависит от аминокислотного состава. Если в белке преобладают кислые аминокислоты, то суммарный заряд белка будет отрицательным, и в электрическом поле такой белок движется к аноду. Если в белке больше основных аминокислот, то суммарный заряд белка - положительный и такой белок в электрическом поле движется к катоду.
Но можно установить такой рН, при котором подавляются лишние заряженные группы и количество положительных и отрицательно заряженных групп становится равным. В таком случае белок будет неподвижен в электрическом поле, т.е. суммарный заряд его будет равен нулю. Такое состояние белка называется изоэлектрическим, а рН, при котором наступает изоэлектрическое состояние, называется изоэлектрической точкой и обозначается рI.
В кислой среде подавляется диссоциация лишних СОО− -групп белка-аниона, а в щелочной – диссоциация лишних NH3+-групп белка-катиона:
рI – характерный показатель аминокислотного состава белка: для кислых белков pH‹7, а для основных рI ›7. Например, у фермента пепсина желудочного сока (а все ферменты – белки) рI 1,5, у казеина молока - 4,7, у гемоглобина крови - 6,8.
В изоэлектрической точке белки обратимо осаждаются в результате кулоновских сил взаимодействия положительно и отрицательно заряженных групп белковых молекул. Однако дальнейшее изменение рН раствора приведет к перезарядке белка и вновь к его растворению. Изоэлектрическое осаждение используется для выделения и очистки белков.