Naš članak će biti posvećen proučavanju svojstava tvari koje su osnova fenomena života na Zemlji. Proteinske molekule prisutne su u nestaničnim oblicima – virusima, dio su citoplazme i organela prokariotskih i nuklearnih stanica. Uz nukleinske kiseline tvore tvar nasljeđa - kromatin i tvore glavne komponente jezgre - kromosome. Signalizacija, građenje, katalitička, zaštitna, energetska – to je popis bioloških funkcija koje proteini obavljaju. Fizikalno-kemijska svojstva proteina su njihova sposobnost otapanja, taloženja i slanja. Osim toga, oni su sposobni denaturirati i po svojoj su kemijskoj prirodi amfoterni spojevi. Istražimo dalje ova svojstva proteina.
Vrste proteinskih monomera
20 vrsta α-aminokiselina su strukturne jedinice proteina. Uz ugljikovodični radikal, oni sadrže NH2- amino skupinu i COOH-karboksilnu skupinu. Funkcionalne skupine određuju kisela i bazična svojstva proteinskih monomera. Stoga se u organskoj kemiji spojevi ove klase nazivaju amfoternim tvarima. Vodikovi ioni karboksilne skupine unutar molekule mogu se odcijepiti i vezati na amino skupine. Rezultat je unutarnja sol. Ako je u molekuli prisutno nekoliko karboksilnih skupina, spoj će biti kiseli, kao što je glutaminska ili asparaginska kiselina. Ako prevladavaju amino skupine, aminokiseline su bazične (histidin, lizin, arginin). S jednakim brojem funkcionalnih skupina, otopina peptida ima neutralnu reakciju. Utvrđeno je da prisutnost sve tri vrste aminokiselina utječe na karakteristike koje će imati proteini. Fizikalno-kemijska svojstva proteina: topljivost, pH, naboj makromolekule, određena su omjerom kiselih i bazičnih aminokiselina.
Koji čimbenici utječu na topljivost 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 izravno utječu na topljivost proteina. Pogledajmo ih pobliže.
Globule i njihova sposobnost hidratacije
Ako vanjska struktura peptida ima sferni oblik, tada je uobičajeno govoriti o njegovoj globularnoj strukturi. Stabilizira se vodikovom i hidrofobnom vezom, kao i silama elektrostatičkog privlačenja suprotno nabijenih dijelova makromolekule. Na primjer, hemoglobin, koji nosi 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 tvarima krvne plazme. Inzulin je još jedan globularni peptid koji regulira razinu glukoze u krvi kod sisavaca i ljudi. Hidrofobni dijelovi takvih peptidnih kompleksa nalaze se u sredini kompaktne strukture, dok se hidrofilni dijelovi nalaze na njezinoj površini. To im osigurava očuvanje izvornih svojstava u tekućem mediju tijela i spaja ih u skupinu proteina topivih u vodi. Iznimka su globularni proteini koji tvore mozaičnu strukturu membrana ljudskih i životinjskih stanica. Povezani su s glikolipidima i netopivi su u međustaničnoj tekućini, što osigurava njihovu ulogu barijere u stanici.
Fibrilarni peptidi
Kolagen i elastin, koji su dio dermisa i određuju njegovu čvrstoću i elastičnost, imaju filamentoznu strukturu. Oni se mogu rastezati, mijenjajući svoju prostornu konfiguraciju. Fibroin je prirodni protein svile koji proizvode ličinke svilene bube. Sadrži kratka strukturna vlakna, koja se sastoje od aminokiselina male mase i molekularne duljine. To su, prije svega, serin, alanin i glicin. Njegovopolipeptidni lanci su orijentirani u prostoru u vertikalnom i horizontalnom smjeru. Tvar pripada strukturnim polipeptidima i ima slojeviti oblik. Za razliku od globularnih polipeptida, topljivost proteina koji se sastoji od fibrila je vrlo niska, budući da hidrofobni radikali njegovih aminokiselina leže na površini makromolekule i odbijaju polarne čestice otapala.
Keratini i značajke njihove strukture
S obzirom na skupinu strukturnih proteina fibrilarnog oblika, kao što su fibroin i kolagen, potrebno je osvrnuti se na još jednu skupinu 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. Što je keratin u smislu njegove biokemijske strukture? Utvrđeno je da postoje dvije vrste peptida. Prvi ima oblik spiralne sekundarne strukture (α-keratin) i temelj je kose. Drugi je predstavljen čvršćim slojevitim fibrilima - ovo je β-keratin. Može se naći u tvrdim dijelovima tijela životinja: kopitima, ptičjim kljunovima, ljuskama gmazova, kandžama grabežljivih sisavaca i ptica. Što je keratin, na temelju činjenice da njegove aminokiseline, kao što su valin, fenilalanin, izoleucin, sadrže veliki broj hidrofobnih radikala? To je protein netopiv u vodi i drugim polarnim otapalima koji obavlja zaštitne i strukturne funkcije.
Učinak pH medija na naboj proteinskog polimera
Ranije smo spomenuli da su funkcionalne skupine proteinamonomeri - aminokiseline, određuju njihova svojstva. Sada dodajemo da naboj polimera također ovisi o njima. Ionski radikali - karboksilne skupine glutaminske i asparaginske kiseline i amino skupine arginina i histidina - utječu na ukupni naboj polimera. Također se različito ponašaju u kiselim, neutralnim ili alkalnim otopinama. O ovim čimbenicima ovisi i topljivost proteina. Dakle, pri pH <7, otopina sadrži višak koncentracije vodikovih protona, koji inhibiraju razgradnju karboksila, pa se ukupni pozitivni naboj na proteinskoj molekuli povećava.
Nakupljanje kationa u proteinu također se povećava u slučaju medija s neutralnom otopinom i s viškom monomera arginina, histidina i lizina. U alkalnom okruženju, negativni naboj polipeptidne molekule raste, budući da se višak vodikovih iona troši na stvaranje molekula vode vezanjem hidroksilnih skupina.
Čimbenici koji određuju topljivost proteina
Zamislimo situaciju u kojoj je broj pozitivnih i negativnih naboja na proteinskoj spirali isti. pH medija u ovom slučaju naziva se izoelektrična točka. Ukupni naboj same peptidne makromolekule postaje nula, a njena topljivost u vodi ili drugom polarnom otapalu bit će minimalna. Odredbe teorije elektrolitičke disocijacije navode da će topljivost tvari u polarnom otapalu koje se sastoji od dipola biti veća, što su čestice otopljenog spoja polariziranije. Također objašnjavaju čimbenike koji određuju topljivostproteini: njihova izoelektrična točka i ovisnost hidratacije ili solvatacije peptida o ukupnom naboju njegove makromolekule. Većina polimera ove klase sadrži višak -COO- skupina i imaju blago kisela svojstva. Iznimka će biti prethodno spomenuti membranski proteini i peptidi koji su dio nuklearne supstance nasljeđa – kromatina. Potonji se nazivaju histoni i imaju izražena osnovna svojstva zbog prisutnosti velikog broja amino skupina u polimernom lancu.
Ponašanje proteina u električnom polju
U praktične svrhe, često postaje potrebno odvojiti, na primjer, krvne proteine 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, dobiva se do 18 frakcija pojedinačnih proteina. Među njima: sve vrste globulina, kao i proteinski albumin, koji nije samo najvažnija komponenta (čini do 60% mase peptida krvne plazme), već ima i središnju ulogu u procesima osmoze i cirkulaciju krvi.
Kako koncentracija soli utječe na topljivost proteina
Sposobnost peptida da tvore ne samo gelove, pjene i emulzije, već i otopine je važno svojstvo koje odražava njihove fizikalno-kemijske karakteristike. Na primjer, prethodno studiraoalbumini koji se nalaze u endospermu sjemena žitarica, mlijeku i krvnom serumu brzo tvore vodene otopine s koncentracijom neutralnih soli, poput natrijevog klorida, 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 amonijevog sulfata, au prezasićenoj otopini reverzibilno precipitiraju i uz daljnje smanjenje koncentracije soli dodavanjem dijela vode obnavljaju svoju hidratantnu ljusku.
Soljenje
Gore opisane kemijske reakcije peptida s otopinama soli koje nastaju jakim kiselinama i lužinama nazivaju se isoljavanjem. Temelji se na mehanizmu interakcije nabijenih funkcionalnih skupina proteina s ionima soli - metalnim kationima i anionima kiselih ostataka. Završava gubitkom naboja molekule peptida, smanjenjem njezine vodene ljuske i prianjanjem proteinskih čestica. Kao rezultat, oni se talože, o čemu ćemo kasnije raspravljati.
Oborina i denaturacija
Aceton i etilni alkohol uništavaju vodenu ljusku koja okružuje protein u tercijarnoj strukturi. Međutim, to nije popraćeno neutralizacijom ukupnog naboja na njemu. Taj se proces naziva precipitacija, topljivost proteina je naglo smanjena, ali ne završava denaturacijom.
Molekule peptida u svom izvornom stanju vrlo su osjetljive na mnoge parametre okoliša, na primjer, natemperatura i koncentracija kemijskih spojeva: soli, kiselina ili lužina. Jačanje djelovanja oba ova faktora na izoelektričnoj točki dovodi do potpunog uništenja stabilizirajućih intramolekularnih (disulfidni mostovi, peptidne veze), kovalentne i vodikove veze u polipeptidu. Osobito brzo u takvim uvjetima, globularni peptidi denaturiraju, dok u potpunosti gube svoja fizikalno-kemijska i biološka svojstva.
