Тема 5.1.2. Белки как полиэлектролиты

Особенность растворов ВМС (растворов белков) – двойственность:

1. Это истинные молекулярные растворы, т.к. одна частица ВМС – отдельная молекула;

2. Это и коллоидные растворы (обладающие свойствами коллоидных растворов).

Полиэлектролитами называются ВМС, способные в растворе диссоциировать с образованием высокомолекулярного иона.

В зависимости от природы содержащихся в полимере групп полиэлектролиты можно разделить на три вида:

1) полиэлектролиты, содержащие кислотную группу, например, –СОО^- или –ОSOз^-;

2) полиэлектролиты, содержащие основную группу, например —NH₃⁺. Такие вещества в природе не встречаются, но могут быть синтезированы;

3) полиэлектролиты, содержащие одновременно как кислотную, так и основную группы (полиамфолиты). Сюда относятся белки, содержащие группы –СОО" и –NН₃⁺.

Все высокомолекулярные электролиты растворяются в полярных растворителях. Важнейшими представителями полиэлектролитов являются белки. Молекулы белков построены на основе аминокислот и содержат основные группы –HONН₃ и кислотные группы –СООН:

НОNН₃–R–СООH,

где R - длинный углеводородный радикал.

Ионогенные группы могут располагаться не только на концах макромолекулы, но и в виде коротких боковых цепей, распределенных по всей длине макромолекулы.

В кислой среде (НСl) подавлена ионизация карбоксильных групп, белок ведет себя как слабое основание:

HONH₃–R–COOH + Н⁺  +NН₃–R–СООН + Н₂О.

Молекула приобретает положительный заряд. Так как между одноименно заряженными группами, разбросанными по всей длине молекулы, действуют силы отталкивания, цепная молекула белка в кислой среде будет стремиться развернуться.

Однако при большом избытке НС1 из-за наличия большого количества хлорид-ионов степень ионизации соединения СlNН₃–R–СООН будет понижаться и молекула снова свернется в более плотный клубок.

В щелочной среде (NаОН) из-за большого количества гидроксид-ионов, ионизация групп НONН₃⁺ – подавлена и белок ведет себя как слабая кислота:

НОNН₃–R–СООН + ОН^-  HONН₃–R–СОО^- + Н₂О,

приобретая отрицательный заряд. И в этом случае цепная молекула стремится развернуться вследствие электростатического отталкивания групп СОО^-.

При большом избытке щелочи из-за большого количества ионов Na⁺ заряд будет уменьшаться и молекула будет находиться в форме клубка.

Таким образом, как в кислой, так и в щелочной среде молекулы белка обладают нескомпенсированным зарядом разного знака. Регулируя рН белкового раствора, можно добиться перевода белка в изоэлектрическое состояние.

Изоэлектрическим состоянием белка называется состояние белковой молекулы, при котором ее 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: ⁺NН₃–R–СОО^-.

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

Так как белок обычно является более сильной кислотой, чем основанием, его ИТБ лежит при рН < 7. Т.е. для достижения изоэлектрического состояния в растворе должен находиться некоторый избыток кислоты, для подавления ионизации кислотных групп. Так как в ИТБ число ионизированных основных и кислотных групп одинаково, гибкая макромолекула сворачивается в клубок.

На форму макромолекул влияет не только рН среды, но и введение в раствор индифферентного электролита. Небольшое количество электролита подавляет ионизацию ионогенных групп и приводит к наиболее статистически вероятным конформациям. При больших концентрациях электролитов происходит высаливание вследствие уменьшения растворимости полимера – макромолекулы образуют плотные клубки. Действие ионов на полиэлектролиты изменяется в том порядке, в котором они стоят в лиотропном ряду.