Белки как коллоидные растворы

Химические свойства белков нельзя непосредственно соотнести с химическим строением их полипептидной цепи. Они определяются структурной организацией макромолекул белков.

Рассмотрим некоторые свойства белков как коллоидных растворов. Для белков характерен электрофорез (см. параграф 7.3). Способность белков к электрофорезу означает, что макромолекула белков образует двойной электрический слой (см. рис. 7.2). Заряд потенциалобразующего слоя определяется свойствами макромолекул белка как полиэлектролита.

Длинная полипептидная цепь белка [в формуле (20.1) показаны только две полипептидные связи, фактически их сотни] на концах имеет только две ионизированные группы молекул. В боковых же группах полипептидных цепей макромолекул белков находится большое число ионогенных групп, которые способны диссоциировать в воде по следующей схеме:

(20.2).

(20.3).

Именно боковые группы макромолекул создают условия для образования ДЭС.

Знак и значение электрических (ц-потенциала и ж-потенциала будут определяться свойствами среды. При избытке кислоты, т. е. в кислой среде, подавляется диссоциация карбоксильных групп; равновесие реакции (20.2) смещается в левую, а равновесие реакции (20.3) — в правую сторону. Макромолекулы белка будут нести избыточный положительный заряд и становятся поликатионами, ж-потенциал становится больше нуля (ж > 0), а при электрофорезе макромолекулы белка будут двигаться к катоду (рис. 20.3).

[Введите текст].

В щелочной среде, при избытке анионов ОНподавляется диссоциация основных групп, равновесие реакции (20.3) смещается в левую сторону, а равновесие реакции (20.2) — в правую. Макромолекула белка приобретает отрицательный заряд (ж < 0) и превращается в полианион. Структура ДЭС будет соответствовать случаю, изображенному на рис. 7.3. При электрофорезе макромолекулы белков двигаются к аноду (см. рис. 7.5). Подобными свойствами обладают макромолекулы крахмала и гуммиарабика.

Макромолекулы различных белков отличаются друг от друга числом ионизированных групп, структурой двойного слоя, а следовательно, знаком и (или) значением жпотенциала. В связи с этим они обладают различной электрофоретической подвижностью (см. параграф 7.4), что и дает возможность разделять их между собой под действием внешнего электрического поля, т. е. при помощи электрофореза.

Величина и знак заряда белков, находящихся в растворе, зависит от рН среды. Это обстоятельство обусловлено неодинаковым числом ионогенных группСООН иNH₃. Так, например, у таких белков, как казеин, желатин, альбумин и некоторых других, в водных растворах кислотные группы превалируют над основными и рН раствора будет < 7. Преобладание щелочных групп (-NH₃) и рН > 7 наблюдается в растворах таких белков, как глиадин пшеницы, проламин и др.

При помощи рН среды можно изменять ионизирующую способность макромолекул белков. Константы диссоциации кислотных и основных групп белков не совпадают. По этой причине число диссоциированных основных и кислотных групп макромолекул белка может быть одним и тем же только при определенном значении рН среды. Такое состояние соответствует изоэлектрической точке (ИЭТ), т. е. значению рН среды, при котором число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп.

В ИЭТ противоионы полностью компенсируют заряд потенциалобразующего слоя (см. рис. 7.4), и ж-потенциал становится равным нулю.

ИЭТ белков лежит в пределах рН от 2 (у пепсина) до 10,6 (у цитрохрома С), но преимущественно ИЭТ белков соответствует рН < 7. ИЭТ некоторых белков достигается при следующих значениях рНи; пепсина (фермент желудочного сока) — 2,0; казеина (белок, образующийся при свертывании молока) — 4,6: альбумина яйца — 4,8; карбоксигемоглобина — 6,87; химотрипсина (фермент сока поджелудочной железы) — 8,6.

рН водного раствора белков определяет конформационное состояние их макромолекул, которое в свою очередь влияет на такие свойства этих растворов как вязкость и набухание. Обратимся к рис. 20.4.

При значении рН, равном или близком к ИЭТ, разноименно заряженные группы NН⁺₃ и СООмогут притягиваться друг к другу и закручивать макромолекулу в клубок и даже в глобулу (ИЭТ рис. 20.4).

При рН, смещенном по отношению к ИЭТ, подавляется диссоциация некоторых из функциональных групп; в кислой среде [см. уравнение (20.2)] — карбоксильных групп, а в щелочной среде — аминогрупп [см. уравнение (20.3)]. В результате остаются одноименно заряженные группы молекул, которые отталкиваются, вследствие чего макромолекулы выпрямляются (области I или II).

[Введите текст].

В ИЭТ свойства растворов белков изменяются. Свертывание макромолекул в клубок снижает вязкость раствора до минимального значения (кривая 2).

После выпрямления макромолекулы (области I или II) оказывают большее сопротивление течению жидкости и коэффициент вязкости з, а следовательно и вязкость растут. Такую же зависимость от рН среды имеет и степень набухания б. В ИЭТ некоторые белки имеют наименьшую растворимость и максимальную способность к рассеянию света.

Электрофоретическая подвижность, которая определяет скорость электрофореза и рассчитывается по формуле (7.16), зависит от заряда макромолекул и ж-потенциала. Изменяя свойства среды, можно регулировать ионизирующую способность белков, изменять структуру двойного слоя и значение ж-потенциала — тем самым регулировать скорость электрофореза; это создает дополнительные возможности для разделения смеси белков при помощи электрофореза. Для получения белков из их смеси необходимо прежде всего освободиться от низкомолекулярных соединений. Для этой цели используют диализ (см. рис. 12.7, в). Крупные макромолекулы белков остаются в емкости, а через полупроницаемую перегородку проходят низкомолекулярные примеси.