Поліелектроліти. Особливості розчинів білків
Поліелектролітами називають ВМС, які містять йоногенні групи. За характером утворюваних йонів поліелектроліти поділяють на три групи.
1. Поліелектроліти кислотного типу, що містять групи -СОО– (розчинний крохмаль, гуміарабік), або – OSO3– (агар-агар).
2. Поліелектроліти основного типу, які містять, наприклад, групу -NH3+. Такі полімери одержують синтетичним шляхом.
3. Поліамфоліти – ВМС, які містять і кислотні і основні групи (білки з групами –СОО– і –NH3+).
Білки побудовані із залишків амінокислот, сполучених між собою пептидними зв’язками. Амінокислоти є амфотерними електролітами, молекули яких містять карбоксильну (-СООН) і амінну (-NH2) групи. До складу білків входить в основному 20 амінокислот. Схематично молекулу білка можна зобразити як NH2-R-СООН, де R – залишок молекули білка без функціональних груп. Цей залишок виникає внаслідок взаємодії сотень тисяч амінокислот:
NH2-R'-СООН+NH2-R''-COOH+NH2-R'''-COOH → NH2-R'-CО-NH-R''-CО-NH-R’’’-COOH + 2HOH.
Молекулярна маса білків коливається від декількох тисяч (47 000 – інсулін) до сотень мільйонів (322 000 000 – білок вірусу грипу). В молекулі білка є один або декілька поліпетидних спіралізованих ланцюгів. Розрізняють чотири рівні структурної організації молекули білка – первинний, вторинний, третинний і четвертинний. Є дві основні просторові форми молекули білка – глобулярна і фібрилярна. У фібрилярних молекул довжина макромолекули у тисячі разів перевищує товщину. Так, довжина молекули проколагену – 300 нм, ширина – десяті частки нанометра, тоді як довжина молекул глобулярних білків ≈ 30 нм, ширина ≈ 20-30 нм.
Поверхня молекули білка містить велику кількість гідрофільних груп, які утворюють гідратну оболонку (рис. 19). Гідрофобні частини молекули в основному розміщені всередині. При формуванні молекули білка деяка частина молекул води утягується всередину її і складає інтерміцельну воду.
Будучи амфолітами, білки у водному середовищі проявляють кислотні:
І основні властивості:
H2N-R-COOH+НОН ↔ H3+N-R-CООН+OН–
Ці властивості проявляються при взаємодії білка з кислотами і основами. Якщо до розчину білка додати розчин сильної кислоти, то дисоціація карбоксильних груп (слабша кислота) буде зменшуватися і макромолекула набуде позитивного заряду:
H2N-R-COOH+Н++Cl– ↔ H3+N-R-CООН+Cl.
Якщо в розчин білка додати основу, то білок проявлятиме властивості кислоти:
H2N-R-COOH+Nа++ОН– ↔ H2N-R-CОО–+Na++Н2О.
Ізоелектрична точка білків
Заряд білкової молекули у нейтральному середовищі визначає співвідношення кількості вільних -СООН і -NН2 груп та ступінь дисоціації їх. Чим більше карбоксильних груп -СООН, тим вищий негативний заряд, і білок буде проявляти властивості слабкої кислоти. Перевага амінних груп надає білку основних властивостей і позитивного заряду.
У кислому середовищі білок заряджається позитивно:
.
У лужному середовищі – негативно:
Рис.
19
Схема будови молекули білка у водному
розчині, стабілізованому розчи-ном
NaCl
(за Мусілу,Новаковою, Кунцу):
1 – молекула білка;
2 – гідратна
оболонка
.
Таким чином, заряд білка залежить від реакції середовища і від співвідношення кількості карбоксильних і амінних груп та їх ступеня дисоціації.
Значення рН, при якому білок знаходиться в ізоелектричному стані, тобто у такому стані, при якому число різнойменних зарядів у білковій частинці однакове і її загальний заряд дорівнює нулю, називається ізоелектричною точкою цього білка.
Більшість білків містить 25-30% дикарбонових амінокислот (глутамінової і аспрагінової) і, звичайно, належать до кислих білків. Існує невелика група основних білків, з домінуванням вільних -NН2 груп за рахунок підвищеного (до 80%) вмісту диамінових амінокислот (аргініну, лізину, орнітину, цитруліну). Ізоелектрична точка кислих білків лежить у слабокислому, основних – у слаболужному середовищі (табл. 5).
Висолювання або драгління білків найкраще проводити в ізоелектричному стані, тому що у ізоелектричній точці білки мають інші властивості, ніж у звичайних умовах. В умовах ізоелектричного стану білки не володіють електрофоретичною рухливістю, характеризуються мінімальною стійкістю, розчинністю, гідратацією, в’язкістю, осмотичним тиском, електропровідністю, ступенем набрякання.
Таблиця 5