Naš članek bo posvečen preučevanju lastnosti snovi, ki so osnova pojava življenja na Zemlji. Beljakovinske molekule so prisotne v neceličnih oblikah – virusi, so del citoplazme in organelov prokariontskih in jedrskih celic. Skupaj z nukleinskimi kislinami tvorijo substanco dednosti - kromatin in tvorijo glavne sestavine jedra - kromosome. Signalizacija, gradnja, katalitična, zaščitna, energijska - to je seznam bioloških funkcij, ki jih opravljajo beljakovine. Fizikalno-kemijske lastnosti beljakovin so njihova sposobnost raztapljanja, obarjanja in soli. Poleg tega so sposobne denaturirati in so po svoji kemični naravi amfoterne spojine. Raziščimo te lastnosti beljakovin še naprej.
Vrste beljakovinskih monomerov
20 vrst α-aminokislin so strukturne enote beljakovin. Poleg ogljikovodikovega radikala vsebujejo NH2- amino skupino in COOH-karboksilna skupina. Funkcionalne skupine določajo kislinske in bazične lastnosti beljakovinskih monomerov. Zato se v organski kemiji spojine tega razreda imenujejo amfoterne snovi. Vodikovi ioni karboksilne skupine znotraj molekule se lahko odcepijo in vežejo na amino skupine. Rezultat je notranja sol. Če je v molekuli prisotnih več karboksilnih skupin, bo spojina kisla, na primer glutaminska ali asparaginska kislina. Če prevladujejo amino skupine, so aminokisline bazične (histidin, lizin, arginin). Z enakim številom funkcionalnih skupin ima peptidna raztopina nevtralno reakcijo. Ugotovljeno je bilo, da prisotnost vseh treh vrst aminokislin vpliva na lastnosti beljakovin. Fizikalno-kemijske lastnosti beljakovin: topnost, pH, naboj makromolekule so določene z razmerjem kislih in bazičnih aminokislin.
Kateri dejavniki vplivajo na topnost peptidov
Ugotovimo vsa potrebna merila, od katerih so odvisni procesi hidracije ali solvatacije beljakovinskih makromolekul. To so: prostorska konfiguracija in molekulska teža, določena s številom aminokislinskih ostankov. Upošteva tudi razmerje polarnih in nepolarnih delov - radikalov, ki se nahajajo na površini proteina v terciarni strukturi, in skupni naboj polipeptidne makromolekule. Vse zgoraj navedene lastnosti neposredno vplivajo na topnost beljakovin. Oglejmo si jih podrobneje.
Globule in njihova sposobnost hidriranja
Če ima zunanja struktura peptida sferično obliko, potem je običajno govoriti o njegovi kroglasti strukturi. Stabilizira se z vodikovimi in hidrofobnimi vezmi ter s silami elektrostatičnega privlačenja nasprotno nabitih delov makromolekule. Na primer, hemoglobin, ki prenaša molekule kisika skozi kri, je v svoji kvartarni obliki sestavljen iz štirih fragmentov mioglobina, združenih s hemom. Beljakovine v krvi, kot so albumini, α- in ϒ-globulini, zlahka sodelujejo s snovmi v krvni plazmi. Inzulin je še en globularni peptid, ki uravnava raven glukoze v krvi pri sesalcih in ljudeh. Hidrofobni deli takšnih peptidnih kompleksov se nahajajo na sredini kompaktne strukture, hidrofilni pa na njeni površini. To jim zagotavlja ohranjanje naravnih lastnosti v tekočem mediju telesa in jih združuje v skupino vodotopnih beljakovin. Izjema so globularne beljakovine, ki tvorijo mozaično strukturo membran človeških in živalskih celic. Povezani so z glikolipidi in so netopni v medcelični tekočini, kar zagotavlja njihovo zaščitno vlogo v celici.
fibrilarni peptidi
Kolagen in elastin, ki sta del usnjice in določata njeno čvrstost in elastičnost, imata nitasto strukturo. Lahko se raztegnejo in spremenijo svojo prostorsko konfiguracijo. Fibroin je naravna beljakovina svile, ki jo proizvajajo ličinke sviloprejke. Vsebuje kratka strukturna vlakna, sestavljena iz aminokislin z majhno maso in molekulsko dolžino. To so najprej serin, alanin in glicin. Njegovopolipeptidne verige so orientirane v prostoru v navpični in vodoravni smeri. Snov spada med strukturne polipeptide in ima večplastno obliko. Za razliko od globularnih polipeptidov je topnost proteina, sestavljenega iz fibril, zelo nizka, saj hidrofobni radikali njegovih aminokislin ležijo na površini makromolekule in odbijajo polarne delce topila.
keratini in značilnosti njihove strukture
Glede na skupino strukturnih proteinov fibrilarne oblike, kot sta fibroin in kolagen, se je treba osredotočiti na še eno skupino peptidov, ki so v naravi zelo razširjeni - keratini. Služijo kot osnova za dele človeškega in živalskega telesa, kot so lasje, nohti, perje, volna, kopita in kremplji. Kaj je keratin glede na njegovo biokemično strukturo? Ugotovljeno je bilo, da obstajata dve vrsti peptidov. Prvi ima obliko spiralne sekundarne strukture (α-keratin) in je osnova las. Drugo predstavljajo bolj toge plastne fibrile - to je β-keratin. Najdemo ga v trdih delih telesa živali: kopita, ptičji kljuni, luske plazilcev, kremplji plenilskih sesalcev in ptic. Kaj je keratin glede na dejstvo, da njegove aminokisline, kot so valin, fenilalanin, izolevcin, vsebujejo veliko število hidrofobnih radikalov? Je beljakovina, netopna v vodi in drugih polarnih topilih, ki opravlja zaščitne in strukturne funkcije.
Učinek pH medija na naboj proteinskega polimera
Prej smo omenili, da so funkcionalne skupine beljakovinmonomeri - aminokisline, določajo njihove lastnosti. Zdaj dodamo, da je od njih odvisen tudi naboj polimera. Ionski radikali - karboksilne skupine glutaminske in asparaginske kisline ter amino skupine arginina in histidina - vplivajo na celoten naboj polimera. Različno se obnašajo tudi v kislih, nevtralnih ali alkalnih raztopinah. Od teh dejavnikov je odvisna tudi topnost beljakovin. Torej, pri pH <7 raztopina vsebuje presežno koncentracijo vodikovih protonov, ki zavirajo razgradnjo karboksila, zato se skupni pozitivni naboj na beljakovinski molekuli poveča.
Kopičenje kationov v proteinu se poveča tudi v primeru nevtralnega raztopinskega medija in s presežkom monomerov arginina, histidina in lizina. V alkalnem okolju se negativni naboj polipeptidne molekule poveča, saj se presežek vodikovih ionov porabi za tvorbo vodnih molekul z vezavo hidroksilnih skupin.
Dejavniki, ki določajo topnost beljakovin
Zamislimo si situacijo, v kateri je število pozitivnih in negativnih nabojev na beljakovinski vijačnici enako. pH medija se v tem primeru imenuje izoelektrična točka. Celoten naboj same peptidne makromolekule postane nič, njena topnost v vodi ali drugem polarnem topilu pa bo minimalna. Določbe teorije elektrolitske disociacije pravijo, da bo topnost snovi v polarnem topilu, sestavljenem iz dipolov, višja, bolj polarizirani so delci raztopljene spojine. Pojasnjujejo tudi dejavnike, ki določajo topnostbeljakovine: njihova izoelektrična točka in odvisnost hidratacije ali solvatacije peptida od celotnega naboja njegove makromolekule. Večina polimerov tega razreda vsebuje presežek skupin -COO- in ima rahlo kisle lastnosti. Izjema bodo prej omenjeni membranski proteini in peptidi, ki so del jedrne snovi dednosti – kromatina. Slednjim pravimo histoni in imajo izrazite osnovne lastnosti zaradi prisotnosti velikega števila amino skupin v polimerni verigi.
Vedenje beljakovin v električnem polju
Za praktične namene je pogosto potrebno ločiti na primer krvne beljakovine na frakcije ali posamezne makromolekule. Če želite to narediti, lahko uporabite sposobnost nabitih polimernih molekul, da se z določeno hitrostjo premikajo do elektrod v električnem polju. Raztopino, ki vsebuje peptide različne mase in naboja, položimo na nosilec: papir ali poseben gel. S prehajanjem električnih impulzov, na primer skozi del krvne plazme, dobimo do 18 frakcij posameznih beljakovin. Med njimi: vse vrste globulinov, pa tudi beljakovinski albumin, ki ni le najpomembnejša sestavina (predstavlja do 60% mase peptidov krvne plazme), ampak ima tudi osrednjo vlogo v procesih osmoze. in krvni obtok.
Kako koncentracija soli vpliva na topnost beljakovin
Pomembna lastnost, ki odraža njihove fizikalno-kemijske značilnosti, je sposobnost peptidov, da ne tvorijo le gelov, pen in emulzij, temveč tudi raztopine. Na primer, prej študiranialbumini, ki jih najdemo v endospermu žitnih semen, mleku in krvnem serumu, hitro tvorijo vodne raztopine s koncentracijo nevtralnih soli, kot je natrijev klorid, v območju od 3 do 10 odstotkov. Na primeru istih albuminov lahko ugotovimo odvisnost topnosti beljakovin od koncentracije soli. Dobro se raztopijo v nenasičeni raztopini amonijevega sulfata, v prenasičeni raztopini pa reverzibilno oborijo in z nadaljnjim znižanjem koncentracije soli z dodajanjem porcije vode obnovijo svojo hidratacijsko lupino.
Soljenje
Zgoraj opisane kemijske reakcije peptidov z raztopinami soli, ki jih tvorijo močne kisline in alkalije, imenujemo izsoljenje. Temelji na mehanizmu interakcije nabitih funkcionalnih skupin beljakovin s solnimi ioni - kovinskimi kationi in anioni kislinskih ostankov. Konča se z izgubo naboja na molekuli peptida, zmanjšanjem njene vodne lupine in oprijemom beljakovinskih delcev. Posledično se oborijo, o čemer bomo razpravljali kasneje.
Padavine in denaturacija
Aceton in etilni alkohol uničita vodno lupino, ki obdaja protein v terciarni strukturi. Vendar tega ne spremlja nevtralizacija celotnega naboja na njem. Ta proces se imenuje precipitacija, topnost beljakovin se močno zmanjša, vendar se ne konča z denaturacijo.
Molekule peptidov v svojem izvornem stanju so zelo občutljive na številne okoljske parametre, npr.temperatura in koncentracija kemičnih spojin: soli, kisline ali alkalije. Krepitev delovanja obeh dejavnikov na izoelektrični točki vodi do popolnega uničenja stabilizacijskih intramolekularnih (disulfidni mostovi, peptidne vezi), kovalentne in vodikove vezi v polipeptidu. Še posebej hitro v takih pogojih globularni peptidi denaturirajo, pri tem pa popolnoma izgubijo svoje fizikalno-kemijske in biološke lastnosti.
