Naš članak će biti posvećen proučavanju svojstava supstanci koje su osnova fenomena života na Zemlji. Proteinske molekule prisutne su u nećelijskim oblicima - virusima, dio su citoplazme i organela prokariotskih i nuklearnih stanica. Zajedno s nukleinskim kiselinama formiraju tvar nasljeđa - kromatin i formiraju glavne komponente jezgre - hromozome. Signalizacija, građenje, katalitička, zaštitna, energetska - ovo je lista bioloških funkcija koje proteini obavljaju. Fizičko-hemijska svojstva proteina su njihova sposobnost da se otapaju, talože i izsole. Osim toga, oni su sposobni za denaturaciju i po svojoj hemijskoj prirodi su amfoterna jedinjenja. Hajde da dalje istražimo ova svojstva proteina.
Vrste proteinskih monomera
20 vrsta α-amino kiselina su strukturne jedinice proteina. Pored ugljikovodičnih radikala, sadrže NH2- amino grupu i COOH-karboksilnu grupu. Funkcionalne grupe određuju kisela i bazična svojstva proteinskih monomera. Stoga se u organskoj hemiji spojevi ove klase nazivaju amfoternim tvarima. Joni vodika karboksilne grupe unutar molekula mogu se odvojiti i vezati za amino grupe. Rezultat je unutrašnja so. Ako je u molekuli prisutno nekoliko karboksilnih grupa, spoj će biti kiseli, kao što je glutaminska ili asparaginska kiselina. Ako prevladavaju amino grupe, aminokiseline su bazne (histidin, lizin, arginin). Sa jednakim brojem funkcionalnih grupa, otopina peptida ima neutralnu reakciju. Utvrđeno je da prisustvo sve tri vrste aminokiselina utiče na karakteristike koje će imati proteini. Fizičko-hemijska svojstva proteina: rastvorljivost, pH, naelektrisanje makromolekula, određuju se odnosom kiselih i bazičnih amino kiselina.
Koji faktori utiču na rastvorljivost peptida
Saznajmo sve potrebne kriterije o kojima ovise procesi hidratacije ili solvatacije proteinskih makromolekula. To su: prostorna konfiguracija i molekularna težina, određena brojem aminokiselinskih ostataka. Također uzima u obzir omjer polarnih i nepolarnih dijelova - radikala koji se nalaze na površini proteina u tercijarnoj strukturi i ukupnog naboja polipeptidne makromolekule. Sva gore navedena svojstva direktno utiču na rastvorljivost proteina. Pogledajmo ih izbliza.
Globuli i njihova sposobnost hidratacije
Ako vanjska struktura peptida ima sferni oblik, tada je uobičajeno govoriti o njegovoj globularnoj strukturi. Stabilizira se vodoničnim i hidrofobnim vezama, kao i silama elektrostatičkog privlačenja suprotno nabijenih dijelova makromolekule. Na primjer, hemoglobin, koji prenosi molekule kisika kroz krv, u svom kvartarnom obliku sastoji se od četiri fragmenta mioglobina, ujedinjenih hemom. Proteini krvi kao što su albumini, α- i ϒ-globulini lako stupaju u interakciju sa supstancama krvne plazme. Inzulin je još jedan globularni peptid koji reguliše nivo glukoze u krvi kod sisara i ljudi. Hidrofobni dijelovi ovakvih peptidnih kompleksa nalaze se u sredini kompaktne strukture, dok se hidrofilni dijelovi nalaze na njenoj površini. To im omogućava očuvanje prirodnih svojstava u tečnom mediju tijela i kombinuje ih u grupu proteina rastvorljivih u vodi. Izuzetak su globularni proteini koji formiraju mozaičnu strukturu membrana ljudskih i životinjskih stanica. Povezani su s glikolipidima i nerastvorljivi su u međućelijskoj tekućini, što osigurava njihovu ulogu barijere u ćeliji.
Fibrilarni peptidi
Kolagen i elastin, koji su dio dermisa i određuju njegovu čvrstoću i elastičnost, imaju filamentoznu strukturu. Oni su u stanju da se protežu, mijenjajući svoju prostornu konfiguraciju. Fibroin je prirodni protein svile koji proizvode larve svilene bube. Sadrži kratka strukturna vlakna, koja se sastoje od aminokiselina male mase i molekularne dužine. To su, prije svega, serin, alanin i glicin. Njegovopolipeptidni lanci su orijentisani u prostoru u vertikalnom i horizontalnom pravcu. Supstanca pripada strukturnim polipeptidima i ima slojevit oblik. Za razliku od globularnih polipeptida, rastvorljivost proteina koji se sastoji od fibrila je veoma niska, jer hidrofobni radikali njegovih aminokiselina leže na površini makromolekule i odbijaju polarne čestice rastvarača.
Keratini i karakteristike njihove strukture
S obzirom na grupu strukturnih proteina fibrilarnog oblika, kao što su fibroin i kolagen, potrebno je osvrnuti se na još jednu grupu peptida rasprostranjenih u prirodi - keratine. Oni služe kao osnova za dijelove ljudskog i životinjskog tijela kao što su kosa, nokti, perje, vuna, kopita i kandže. Šta je keratin u smislu njegove biohemijske strukture? Utvrđeno je da postoje dvije vrste peptida. Prvi ima oblik spiralne sekundarne strukture (α-keratin) i osnova je kose. Drugi je predstavljen čvršćim slojevitim fibrilima - ovo je β-keratin. Može se naći u tvrdim dijelovima tijela životinja: kopitima, ptičjim kljunovima, krljuštima reptila, kandžama grabežljivih sisara i ptica. Šta je keratin, na osnovu činjenice da njegove aminokiseline, kao što su valin, fenilalanin, izoleucin, sadrže veliki broj hidrofobnih radikala? To je protein nerastvorljiv u vodi i drugim polarnim rastvaračima koji obavlja zaštitne i strukturalne funkcije.
Uticaj pH medijuma na naboj proteinskog polimera
Ranije smo spomenuli da su funkcionalne grupe proteinamonomeri - aminokiseline, određuju njihova svojstva. Sada dodajemo da naboj polimera takođe zavisi od njih. Jonski radikali - karboksilne grupe glutaminske i asparaginske kiseline i amino grupe arginina i histidina - utiču na ukupni naboj polimera. Također se različito ponašaju u kiselim, neutralnim ili alkalnim otopinama. O ovim faktorima zavisi i rastvorljivost proteina. Dakle, pri pH <7, otopina sadrži višak koncentracije vodikovih protona, koji inhibiraju razgradnju karboksila, pa se ukupni pozitivni naboj na molekulu proteina povećava.
Akumulacija kationa u proteinu se takođe povećava u slučaju neutralnog rastvora medija i sa viškom monomera arginina, histidina i lizina. U alkalnom okruženju, negativni naboj polipeptidnog molekula se povećava, jer se višak vodikovih jona troši na formiranje molekula vode vezivanjem hidroksilnih grupa.
Faktori koji određuju rastvorljivost proteina
Zamislimo situaciju u kojoj je broj pozitivnih i negativnih naboja na proteinskoj spirali isti. pH medija u ovom slučaju naziva se izoelektrična tačka. Ukupni naboj same peptidne makromolekule postaje nula, a njena rastvorljivost u vodi ili drugom polarnom otapalu bit će minimalna. Odredbe teorije elektrolitičke disocijacije navode da će topljivost tvari u polarnom otapalu koji se sastoji od dipola biti veća, što su čestice otopljenog spoja polariziranije. Oni takođe objašnjavaju faktore koji određuju rastvorljivostproteini: njihova izoelektrična tačka i zavisnost hidratacije ili solvatacije peptida o ukupnom naboju njegove makromolekule. Većina polimera ove klase sadrži višak -COO- grupa i imaju blago kisela svojstva. Izuzetak će biti prethodno spomenuti membranski proteini i peptidi koji su dio nuklearne supstance naslijeđa - hromatina. Potonji se nazivaju histoni i imaju izražena osnovna svojstva zbog prisustva velikog broja amino grupa u polimernom lancu.
Ponašanje proteina u električnom polju
U praktične svrhe, često postaje neophodno odvojiti, na primjer, proteine krvi u frakcije ili pojedinačne makromolekule. Da biste to učinili, možete koristiti sposobnost nabijenih polimernih molekula da se kreću određenom brzinom do elektroda u električnom polju. Otopina koja sadrži peptide različite mase i naboja stavlja se na nosač: papir ili poseban gel. Propuštanjem električnih impulsa, na primjer, kroz dio krvne plazme, dobije se do 18 frakcija pojedinačnih proteina. Među njima: sve vrste globulina, kao i protein albumin, koji nije samo najvažnija komponenta (čini do 60% mase peptida krvne plazme), već ima i centralnu ulogu u procesima osmoze. i cirkulaciju krvi.
Kako koncentracija soli utiče na rastvorljivost proteina
Sposobnost peptida da formiraju ne samo gelove, pjene i emulzije, već i otopine je važno svojstvo koje odražava njihove fizičko-hemijske karakteristike. Na primjer, prethodno proučavanoalbumini koji se nalaze u endospermu sjemena žitarica, mlijeku i krvnom serumu brzo formiraju vodene otopine s koncentracijom neutralnih soli, poput natrijum hlorida, u rasponu od 3 do 10 posto. Na primjeru istih albumina može se saznati ovisnost topljivosti proteina o koncentraciji soli. Dobro se otapaju u nezasićenoj otopini amonijum sulfata, au prezasićenoj otopini reverzibilno se talože i, uz daljnje smanjenje koncentracije soli dodavanjem dijela vode, obnavljaju svoju hidratantnu ljusku.
Soljenje
Gore opisane hemijske reakcije peptida sa rastvorima soli koje formiraju jake kiseline i lužine nazivaju se isoljavanjem. Zasnovan je na mehanizmu interakcije nabijenih funkcionalnih grupa proteina sa ionima soli – katjonima metala i anionima kiselih ostataka. Završava se gubitkom naboja molekula peptida, smanjenjem njegove vodene ljuske i prianjanjem proteinskih čestica. Kao rezultat, oni se talože, o čemu ćemo kasnije raspravljati.
Padavine i denaturacija
Aceton i etil alkohol uništavaju vodenu ljusku koja okružuje protein u tercijarnoj strukturi. Međutim, to nije praćeno neutralizacijom ukupnog naboja na njemu. Ovaj proces se naziva precipitacija, rastvorljivost proteina je naglo smanjena, ali se ne završava denaturacijom.
Molekuli peptida u svom prirodnom stanju su vrlo osjetljivi na mnoge parametre okoline, na primjer, natemperatura i koncentracija hemijskih jedinjenja: soli, kiselina ili alkalija. Jačanje djelovanja oba ova faktora na izoelektričnoj tački dovodi do potpunog razaranja stabilizirajućih intramolekularnih (disulfidni mostovi, peptidne veze), kovalentne i vodonične veze u polipeptidu. Posebno brzo pod takvim uslovima, globularni peptidi denaturiraju, dok potpuno gube svoja fizičko-hemijska i biološka svojstva.
