Náš článek bude věnován studiu vlastností látek, které jsou základem fenoménu života na Zemi. Molekuly bílkovin jsou přítomny v nebuněčných formách – virech, jsou součástí cytoplazmy a organel prokaryotických a jaderných buněk. Spolu s nukleovými kyselinami tvoří látku dědičnosti - chromatin a tvoří hlavní složky jádra - chromozomy. Signální, stavební, katalytické, ochranné, energetické – to je výčet biologických funkcí, které proteiny plní. Fyzikálně-chemické vlastnosti proteinů jsou jejich schopnost rozpouštět, srážet a vysolovat. Kromě toho jsou schopné denaturace a jsou svou chemickou povahou amfoterními sloučeninami. Pojďme prozkoumat tyto vlastnosti proteinů dále.
Typy proteinových monomerů
20 druhů α-aminokyselin jsou strukturální jednotky bílkovin. Kromě uhlovodíkového radikálu obsahují NH2- aminoskupinu a COOH-karboxylová skupina. Funkční skupiny určují kyselé a zásadité vlastnosti proteinových monomerů. Proto se v organické chemii sloučeniny této třídy nazývají amfoterní látky. Vodíkové ionty karboxylové skupiny uvnitř molekuly mohou být odštěpeny a navázány na aminoskupiny. Výsledkem je vnitřní sůl. Pokud je v molekule přítomno několik karboxylových skupin, pak bude sloučenina kyselá, jako je kyselina glutamová nebo asparagová. Pokud převažují aminoskupiny, jsou aminokyseliny bazické (histidin, lysin, arginin). Se stejným počtem funkčních skupin má roztok peptidu neutrální reakci. Bylo zjištěno, že přítomnost všech tří typů aminokyselin ovlivňuje to, jaké vlastnosti budou mít proteiny. Fyzikálně-chemické vlastnosti proteinů: rozpustnost, pH, náboj makromolekuly jsou určeny poměrem kyselých a bazických aminokyselin.
Jaké faktory ovlivňují rozpustnost peptidů
Pojďme zjistit všechna nezbytná kritéria, na kterých závisí procesy hydratace nebo solvatace makromolekul bílkovin. Jsou to: prostorová konfigurace a molekulová hmotnost, určená počtem aminokyselinových zbytků. Zohledňuje také poměr polárních a nepolárních částí - radikálů umístěných na povrchu proteinu v terciární struktuře a celkový náboj makromolekuly polypeptidu. Všechny výše uvedené vlastnosti přímo ovlivňují rozpustnost proteinu. Pojďme se na ně podívat blíže.
Globuly a jejich schopnost hydratovat
Pokud má vnější struktura peptidu kulovitý tvar, pak je obvyklé mluvit o jeho kulovité struktuře. Je stabilizován vodíkovými a hydrofobními vazbami a také silami elektrostatické přitažlivosti opačně nabitých částí makromolekuly. Například hemoglobin, který přenáší molekuly kyslíku krví, se ve své kvartérní formě skládá ze čtyř fragmentů myoglobinu, spojených hemem. Krevní proteiny, jako jsou albuminy, α- a ϒ-globuliny snadno interagují s látkami krevní plazmy. Inzulín je další globulární peptid, který reguluje hladinu glukózy v krvi u savců a lidí. Hydrofobní části takových peptidových komplexů jsou umístěny uprostřed kompaktní struktury, zatímco hydrofilní části jsou umístěny na jejím povrchu. To jim zajišťuje zachování přirozených vlastností v kapalném prostředí těla a spojuje je do skupiny ve vodě rozpustných proteinů. Výjimkou jsou globulární proteiny, které tvoří mozaikovou strukturu membrán lidských a zvířecích buněk. Jsou spojeny s glykolipidy a jsou nerozpustné v mezibuněčné tekutině, což zajišťuje jejich bariérovou roli v buňce.
Fibrilární peptidy
Kolagen a elastin, které jsou součástí dermis a určují její pevnost a pružnost, mají vláknitou strukturu. Dokážou se protáhnout a změnit svou prostorovou konfiguraci. Fibroin je přírodní hedvábný protein produkovaný larvami bource morušového. Obsahuje krátká strukturální vlákna, skládající se z aminokyselin s malou hmotností a molekulární délkou. Jedná se především o serin, alanin a glycin. Jehopolypeptidové řetězce jsou orientovány v prostoru ve vertikálním a horizontálním směru. Látka patří ke strukturním polypeptidům a má vrstvenou formu. Na rozdíl od globulárních polypeptidů je rozpustnost proteinu sestávajícího z fibril velmi nízká, protože hydrofobní radikály jeho aminokyselin leží na povrchu makromolekuly a odpuzují částice polárního rozpouštědla.
Keratiny a vlastnosti jejich struktury
Vzhledem ke skupině strukturních proteinů fibrilární formy, jako je fibroin a kolagen, je nutné se pozastavit ještě u jedné skupiny peptidů široce rozšířených v přírodě – keratinů. Slouží jako základ pro takové části lidského a zvířecího těla, jako jsou vlasy, nehty, peří, vlna, kopyta a drápy. Co je keratin z hlediska jeho biochemické struktury? Bylo zjištěno, že existují dva typy peptidů. První má podobu spirálovité sekundární struktury (α-keratin) a je základem vlasu. Druhou představují tužší vrstvené fibrily – jedná se o β-keratin. Nachází se v tvrdých částech těla zvířat: kopyta, ptačí zobáky, šupiny plazů, drápy dravých savců a ptáků. Co je keratin na základě skutečnosti, že jeho aminokyseliny, jako je valin, fenylalanin, isoleucin, obsahují velké množství hydrofobních radikálů? Je to protein nerozpustný ve vodě a dalších polárních rozpouštědlech, který plní ochranné a strukturální funkce.
Vliv pH média na náboj proteinového polymeru
Dříve jsme zmínili, že funkční skupiny bílkovinmonomery - aminokyseliny, určují jejich vlastnosti. Nyní dodáme, že na nich závisí i náboj polymeru. Iontové radikály - karboxylové skupiny glutamové a asparagové kyseliny a aminoskupiny argininu a histidinu - ovlivňují celkový náboj polymeru. Také se chovají odlišně v kyselých, neutrálních nebo zásaditých roztocích. Na těchto faktorech závisí také rozpustnost proteinu. Takže při pH <7 roztok obsahuje nadměrnou koncentraci vodíkových protonů, které inhibují rozklad karboxylu, takže celkový kladný náboj na molekule proteinu se zvyšuje.
Akumulace kationtů v proteinu se také zvyšuje v případě neutrálního roztoku a s přebytkem monomerů argininu, histidinu a lysinu. V alkalickém prostředí se záporný náboj molekuly polypeptidu zvyšuje, protože přebytek vodíkových iontů se vynakládá na tvorbu molekul vody vazbou hydroxylových skupin.
Faktory, které určují rozpustnost bílkovin
Představme si situaci, ve které je počet kladných a záporných nábojů na proteinové šroubovici stejný. pH prostředí se v tomto případě nazývá izoelektrický bod. Celkový náboj samotné peptidové makromolekuly se stane nulovým a jeho rozpustnost ve vodě nebo jiném polárním rozpouštědle bude minimální. Ustanovení teorie elektrolytické disociace uvádějí, že rozpustnost látky v polárním rozpouštědle sestávajícím z dipólů bude tím vyšší, čím polarizovanější budou částice rozpuštěné sloučeniny. Vysvětlují také faktory, které určují rozpustnostproteiny: jejich izoelektrický bod a závislost hydratace nebo solvatace peptidu na celkovém náboji jeho makromolekuly. Většina polymerů této třídy obsahuje nadbytek skupin -COO- a má mírně kyselé vlastnosti. Výjimkou budou již dříve zmíněné membránové proteiny a peptidy, které jsou součástí jaderné substance dědičnosti – chromatinu. Posledně jmenované se nazývají histony a mají výrazné základní vlastnosti díky přítomnosti velkého počtu aminoskupin v polymerním řetězci.
Chování proteinů v elektrickém poli
Pro praktické účely je často nutné rozdělit například krevní bílkoviny na frakce nebo jednotlivé makromolekuly. K tomu můžete využít schopnosti nabitých molekul polymeru pohybovat se určitou rychlostí k elektrodám v elektrickém poli. Roztok obsahující peptidy různé hmotnosti a náboje se umístí na nosič: papír nebo speciální gel. Průchodem elektrických impulsů např. částí krevní plazmy se získá až 18 frakcí jednotlivých bílkovin. Mezi nimi: všechny typy globulinů, stejně jako proteinový albumin, který je nejen nejdůležitější složkou (tvoří až 60 % hmotnosti peptidů krevní plazmy), ale hraje také ústřední roli v procesech osmózy. a krevní oběh.
Jak koncentrace soli ovlivňuje rozpustnost bílkovin
Schopnost peptidů tvořit nejen gely, pěny a emulze, ale také roztoky je důležitou vlastností, která odráží jejich fyzikálně-chemické vlastnosti. Například dříve studovalalbuminy nacházející se v endospermu obilných semen, mléka a krevního séra rychle tvoří vodné roztoky s koncentrací neutrálních solí, jako je chlorid sodný, v rozmezí od 3 do 10 procent. Na příkladu stejných albuminů lze zjistit závislost rozpustnosti proteinu na koncentraci soli. Dobře se rozpouštějí v nenasyceném roztoku síranu amonného a v přesyceném roztoku se vratně vysrážejí a dalším snížením koncentrace soli přidáním části vody obnovují svůj hydratační obal.
Vysolování
Výše popsané chemické reakce peptidů s roztoky solí tvořenými silnými kyselinami a zásadami se nazývají vysolování. Je založen na mechanismu interakce nabitých funkčních skupin proteinu s ionty solí - kationty kovů a anionty zbytků kyselin. Končí ztrátou náboje na molekule peptidu, zmenšením jejího vodního obalu a adhezí proteinových částic. V důsledku toho se vysrážejí, o čemž budeme hovořit později.
Srážení a denaturace
Aceton a ethylalkohol ničí vodní obal obklopující protein v terciární struktuře. To však není doprovázeno neutralizací celkového náboje na něm. Tento proces se nazývá srážení, rozpustnost proteinu je prudce snížena, ale nekončí denaturací.
Molekuly peptidů ve svém přirozeném stavu jsou velmi citlivé na mnoho parametrů prostředí, např.teplota a koncentrace chemických sloučenin: solí, kyselin nebo zásad. Posílení působení obou těchto faktorů v izoelektrickém bodě vede k úplné destrukci stabilizačních intramolekulárních (disulfidové můstky, peptidové vazby), kovalentních a vodíkových vazeb v polypeptidu. Obzvláště rychle za takových podmínek globulární peptidy denaturují, přičemž zcela ztrácejí své fyzikálně-chemické a biologické vlastnosti.
