Розділ 1. Білки

Білок і його фізико-хімічні властивості

Білки — це високо молекулярні сполуки, що мають строго упорядковану просторову конфігурацію, загальні фізикохімічні властивості і наділені в живих організмах специфічною біологічною роллю.

Фізико-хімічні властивості білків: гідрофільність, кислотно-основні, буферні, розчинність, колоїдні, осмотичні, електрокінетичні тощо.

Гідрофільність білків зумовлена наявністю заряду білкової молекули (за рахунок іонізації бокових радикалів амінокислот) та «гідратної оболонки» (орієнтованих навколо заряджених груп диполів молекули води). Наявність заряду та гідратної оболонки — два основних фактори стабілізації білків у розчині.

Кислотно-основні властивості білків, зокрема їх амфотерність, зумовлені наявністю груп здатних до іонізації. Білки — амфотерні поліелектроліти. Заряд білкової молекули виникає при іонізації функціональних залишків амінокислот. При взаємодії з кислотою іонізуються аміногрупи бокових радикалів Ліз, Арг та імідазольне кільце Гіс і білки заряджаються позитивно; а при дії лугу — карбоксильні групи Асп і Глу, внаслідок чого білкова молекула набуває негативного заряду. Значення рН середовища, при якому сумарний заряд білкової молекули дорівнює нулю і вона не рухається в електричному полі постійного струму називається ізоелектричною точкою (ІЕТ) і позначається рІ.

Здатність білків взаємодіяти як з кислотами, так і з лугами (амфотерність) визначає їх буферні властивості (здатність зберігати значення рН при розведенні або при додаванні невеликих концентрацій кислоти або лугу). Однією з чотирьох буферних систем крові, яка забезпечує сталість рН крові (7,36−7,44) є білкова, яка забезпечується, в основному, альбумінами плазми крові.

Розчинність білків зумовлена: 1) амінокислотним складом (чим більше у складі білку амінокислот з полярними радикалами, тим краще розчиняється даний білок); 2) особливостями структурної організації білка (альбуміни в порівнянні з глобулінами мають меншу молекулярну масу та більший сумарний заряд, тому альбуміни розчинні у воді, а глобуліни — ні; 3) властивостями розчинників (альбуміни розчинні у воді, глобуліни — у слабких розчинах солей, глутеліни — у лугах) та факторами зовнішнього середовища: рН (зсув рН у будь-який бік від рІ призводить до виникнення заряду білкової молекули і покращує розчинність білка, який має мінімальну розчинність при рІ); температура (для більшості білків розчинність підвищується з підвищенням температури до межі, що викликає денатурацію білка; проте, розчинність окремих білків, зокрема гемоглобіну, альдолази з підвищенням температури знижується); іонна сила розчину (нейтральні солі у низьких концентраціях, коли іонна сила розчину невисока, підвищують розчинність білків за рахунок взаємодії їх іонів з полярними групами білків, що призводить до руйнування іонних зв’язків між макромолекулами білків; при високих концентраціях іонів останні взаємодіють з гідратною оболонкою білків і викликають їх осадження).

Осадження білків — перехід білків з розчину у осад. Оборотнє (при додаванні розчинника до осаду білка останній розчиняється) осадження викликає дія агентів, які руйнують гідратну оболонку: спирт, ацетон, висолювання. Оборотнє осадження використовується у фармації для виділення нативних білків при приготуванні білкових препаратів, зокрема інсуліну для ін'єкцій.

Загальноприйнята схема осадження білків (схема Кройта): для осадження гідрофільних частинок необхідно зруйнувати гідратну оболонку (спиртом) і зняти заряд (електролітом). Послідовність цих реакцій не суттєва для процесу осадження.

Ступінь висолювання (оборотнє осадження високими концентраціями солей лужних і лужноземельних металів та солей амонію) залежить від радіуса та заряду іонів, їх здатності до гідратації (ліотропні ряди катіонів та аніонів або ряди Гофмейстера):

Li+ > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+;

Mg2+ > Ca2+ > Sr2+ > Ba2+;

SO42- > F- > [цитрат]3- > [тартрат]2- >[ацетат]- > Сl- > NO3- > Br- > I- > CNS;

ступінь гідратації іонів зменшується осаджуюча дія іонів зменшується Денатурація білка — це руйнування нативної просторової конфігурації білкової молекули, що призводить до зменшення або повної втрати розчинності, зміни фізико-хімічних та біологічних властивостей. Денатурація є процесом необоротнього осадження білків під дією фізичних (радіація, висока температура) та хімічних (органічні та мінеральні кислоти, алкалоїдні реактиви, катіони важких металів) факторів. При денатурації повністю руйнуються четвертинна і третинна структури та частково або повністю — вторинна. Первинна структура білка при денатурації не руйнується.

Оскільки розміри білкових молекул (1−100 нм) відповідають розмірам частинок високодисперсних систем, розчини білків мають колоїдні властивості: осмотичні, оптичні, електрокінетичні. Проте, ступінь дисперсності білкових розчинів молекулярний, а не міцелярний. Крім того, розчини білків утворюють гомогенні системи, вони термодинамічно стійкіші, концентрація білка у розчині може складати 12−15% за масою, білкові розчини стабілізуються гідрофільними взаємодіями.

Осмотичні властивості білків: 0,5% осмотичного тиску крові (тиск, який необхідний для запобігання потоку розчинника через напівпроникливу мембрану) забезпечується білками плазми крові альбумінами і глобулінами; цю частину осмотичного тиску крові називають онкотичним. При зниженні вмісту білів у плазмі крові, особливо альбумінів, виникає різниця у онкотичному тиску в крові та тканинних рідинах і розвиваються онкотичні набряки підшкірної клітковини. Властивість білків не проходити через напівпроникну мембрану використовується для їх очищення від низькомолекулярних речовин методом діалізу.

Оптичні властивості дисперсних систем зумовлені дисперсністю та гетерогенністю. При колоїдному ступені дисперсності, коли лінійні розміри частинок менші за довжину хвилі падаючого світла (в білкових розчинах), світлові хвилі огинають частинки і змінюють свій початковий напрям. Дифракція (розсіювання світла) є причиною опалесценції - матового світіння (ефект Тіндаля). В медицині та фармації для визначення вмісту білка використовують методи нефелометрії (вимірювання інтенсивності розсіюваного світла дисперсною системою) та рефрактометрії (визначення показника заломлення світла при проходженні через розчин білку).

Електрокінетичні властивості: електрофорез, електроосмос, потенціал перебігу, потенціал седиментації зумовлені відносним переміщенням двох фаз під дією електричного поля. Електрофорез — це рух заряджених частинок дисперсної фази в полі постійного електричного струму до одного з електродів. Білки у водних розчинах при певному значенні рН набувають певного заряду і здатності до електрофорезу. Тому, методом електрофорезу на папері (при рН=8,9) білки плазми крові можна розділити за молекулярною масою і зарядом на 5 фракцій: альбуміни, б1-, б2-, ві г-глобуліни. Специфічні властивості білків: набухання, в’язкість, драглювання.