Физико-химические свойства белков

Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах: от нескольких тысяч дальтон (инсулин – 5700) до сотен миллионов (белок вируса гриппа – 322∙10⁶). Форма белковых молекул бывает глобулярная (шаровидная) и фибриллярная (нитевидная), рис.2.1.

Форма белковых молекул изменяется под влиянием различных факторов: рН, температуры среды, ионной силы, природы растворителя, концентрации раствора.

Рис. 2.1. Глобулярные и фибриллярные белки.

А. В глобулярных белках полипептидная цепь свернута так, что образуется компактная структура. Эти белки обычно растворимы в водной среде.

Б. В кератине, фибриллярном белке шерсти, полипептидные цепи вытянуты вдоль одной оси. На рисунке показаны три молекулы кератина, навитые одна на другую наподобие каната. Фибриллярные белки нерастворимы в воде.

Большинство белков растворяется в воде. Они образуют лиофильные коллоидные растворы. Молекулы белков имеют большие размеры и не проходят через поры полупроницаемых мембран.

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов белков связаны с размерами и перемещением мицелл в среде, рН раствора и т.д. Белки имеют низкий коэффициент диффузии, низкое осмотическое давление, высокую относительную вязкость и большую степень набухания – белки связывают до 80-90% всей воды организма.

Вода обеспечивает формирование структуры белков. Общее количество связанной воды составляет в миоглобине, лизоциме, цитохроме около 22% от общей массы белка. Под влиянием различных факторов белки могут выпадать из коллоидных растворов в осадок (коагулировать); это легче происходит в изоэлектрической точке белка.

Коагуляция бывает обратимая, когда нарушается в коллоидной частице только сольватная оболочка и необратимая, когда произошли глубокие нарушения структуры белковой молекулы. Необратимую коагуляцию называют денатурацией. Она вызывается кипячением, действием солей тяжелых металлов, алкалоидов, минеральных кислот и т.д.

Кислотно-щелочные свойства белков связаны с катионообразующими (-NH₃⁺) и анионобразующими (-COO^-) группами. Суммарный заряд молекулы можно представить как:

Знак заряда зависит от соотношения аминных и карбоксильных групп, соответственно различают белки кислые, нейтральные и щелочные (основные).

Аминокислоты

Для изучения аминокислотного состава белков пользуются кислотным (HCl), щелочным (NaOH) и ферментативным гидролизом. При гидролизе чистого белка высвобождается до 20 различных α-аминокислот. Все другие аминокислоты, открытые в тканях животных, растений и микроорганизмов, их свыше 200, существуют в свободном состоянии или же в составе коротких пептидов или комплексов с другими органическими веществами.

Способы получения аминокислот:

1.Гидролиз из соответствующих белков.

2.Методом химического синтеза, в том числе с использованием иммобилизованных ферментов.

3.Методом микробиологического синтеза. Таким способом производят аминокислоты для нужд животноводства, – это многотоннажный промышленный способ.

α-аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один атом водорода, у α-углерода замещен на аминогруппу (-NH₂):

жирная кислота α-аминокислота

Все аминокислоты, входящие в состав природных белков, являются α-аминокислотами.

Общим свойством аминокислот является их амфотерность, т.е. каждая из них содержит, как минимум, одну кислую и одну основную группу (исключение составляет пролин и его производное гидроксипролин, являющиеся иминокислотами).

Общий тип строения α-аминокислот может быть представлен в виде следующей формулы:

Аминокислоты отличаются друг от друга химической природой радикала R, представляющего группу атомов в молекуле аминокислоты, связанную с α-углеродным атомом и не участвующую в образовании пептидной связи при синтезе белка.

Почти все α-амино- и α-карбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы, теряя при этом свои специфические для свободных аминокислот кислотно-основные свойства. Поэтому все разнообразие особенностей структуры и функции белковой молекулы связано с химической природой и физико-химическими свойствами радикалов аминокислот.

Все аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, на вкус сладковатые или кисло-сладкие.

Большинство аминокислот хорошо растворимо в воде. В тканях организма, в клетках, в крови среда слабощелочная – рН 7,3, поэтому карбоксильные группы находятся в форме R-COO^- , а аминные – в форме R-NH₃⁺ (в протонированной форме), поэтому правильная ионная форма аминокислоты:

то есть амфиона (цвитериона) (в пределах рН 4-9).

Аминокислоты в виде недиссоциированных молекул:

т.е. в неионизированной форме приводятся для удобства восприятия. В кислой среде аминогруппа присоединяет протон, получает положительный заряд и под действием электрического тока движется к катоду:

В щелочной среде аминокислота ведет себя как кислота и диссоциирует по такой схеме:

В этом случае при пропускании тока через раствор ионизированная молекула аминокислоты движется к аноду.

Для каждой аминокислоты существует своя изоэлектрическая точка (ИЭТ), т.е. такое состояние, при котором сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов и под действием электрического тока аминокислота не движется ни к аноду, ни к катоду. Для моноаминомонокарбоновых кислот ИЭТ будет близка к реакции нейтральной среды, моноаминодикарбоновых - к кислой и диаминомонокарбоновых – к щелочной.

Для определения количественного содержания аминокислот важное значение имеют следующие методы:

1. Формольное титрование – оно основано на способности формальдегида реагировать с аминогруппой в результате чего аминокислота превращается в основание Шиффа. В этой реакции аминогруппа аминокислоты блокируется остатком формальдегида, а карбоксильная группа не затрагивается и может быть оттитрована щелочью:

2. Реакция с азотистой кислотой – при действии азотистой кислоты аминогруппа разрушается, при этом выделяющийся азот собирают и по его количеству рассчитывают содержание аминокислоты (метод Ван-Слайка) - газометрический метод:

диазосоединение оксикислота

3. Нингидриновый метод определения широко применяется:

а) при хроматографическом разделении аминокислот на бумаге;

б) в автоматических анализаторах аминокислот;

в) для определения аминного азота.

4. Существуют реакции для обнаружения и полуколичественного определения аминокислот:

• реакция Миллона (тирозин);

• ксантопротеиновая реакция (фенилаланин, тирозин)

• реакция Сакагучи (аргинин).

Аминокислоты природных белков (кроме глицина) обладают оптической активностью, т.е. способностью вращать плоскость поляризованного света. Различают D- и L-формы аминокислот, например:

D (-) - Аланин L (+) - Аланин

Все природные белковые аминокислоты относятся к L-ряду. Лишь в белках некоторых микроорганизмов встречаются некоторые D-аминокислоты (также в грибах, антибиотиках).

Аминокислоты D-ряда или совершенно не усваиваются организмом или же усваиваются плохо, т.к. ферментные системы животного организма специфически приспособлены к обмену L-аминокислот. Это важно при учете балансирования рациона животных по незаменимым аминокислотам синтетическими аналогами, которые, как правило, содержат в равных количествах L- и D- формы (рацематы).

Аминокислоты обозначают трехбуквенными символами, например: Алании Ала, Гистидин Гис, Аргинин Apr, и т.д. Кроме того, принято однобуквенное обозначение аминокислот; например, глицин - G, аланин - А, валин - V, лейцин - L и т.д.

Важным свойством аминокислот является их способность синтезироваться в тканях организма животных. Различают аминокислоты заменимые, которые могут синтезироваться в тканях животного организма и незаменимые, которые не могут синтезироваться в организме, а должны поступать с кормом.