Факторы устойчивости белковых растворов

Устойчивость белковым растворам придают два фактора: заряд белковой молекулы и гидратная оболочка.

Заряд белковой молекулы.

Появление заряда на молекулах белков связано с его амфотерными свойствами (наличием кислотных и основных свойств). Группы, способные приобретать заряды, называются ионогенными. К ним относятся — СООН группы глютамата, аспартата, -NH2 группы лизина, аргинина, азот имидазольного кольца гистидина. В очень незначительной степени ионизируютсяSH группы цистеина иOH группы тирозина. Ионизация различных функциональных групп белка групп определяется рН среды.

Ионизация кислотных групп (СООН — группы — доноры Н+).

При рН = 2−4 половина карбоксильных групп в белках находится в ионизированном состоянии (-СОО-), половина — в неионизированном виде (- СООН). В силу этого при рН 2−4 карбоксильные группы придают белкам буферные свойства.

При физиологических значениях рН в интервале 7,35 — 7,45 (более щелочная среда) преобладает ионизированная форма карбоксильных групп, придающая белковым молекулам отрицательный заряд.

Н2Nбелок — СООН — Н+? Н2Nбелок — СОО;

Ионизация щелочных групп (NH2 -группы — акцепторы Н+).

При рН около 10 половина аминогрупп белков ионизирована, а половина не ионизирована. При рН = 10 NH2 — группы придают белкам буферные свойства. Физиологическое значение рН близкое к 7, является более кислой средой, поэтому, при физиологических величинах рН преобладает ионизированная форма аминогрупп (NH3+), придающая белковым молекулам положительный заряд.

Н2N — белок — СООН + Н+? + Н3N — белок — СООН Кислотно-основные свойства изучают особым методам потенциометрического титрования Изменение ионизации белка при разных значениях рН имеет вид графика, приведенного ниже.

Из всех аминокислот только гистидин обладает буферными свойствами при рН = 6−7. Входя в состав белка гемоглобина, гистидин определяет его буферные свойства, необходимые для связывания кислорода.

Изменениями величины рН среды белок можно перевести в особое изоэлектрическое-электронейстральное состояние, в котором сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов и молекула в целом электронейтральна (+ Н3Nбелок — СОО-). Значение рН, при котором молекула белка электронейтральна, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). Для большинства белков изоэлектрическая точка находится в кислой среде (рН = 5−5,5). В то же время для гистонов ИЭТ находится в щелочной среде (рН= 9−11). В изоэлектрическом состоянии белки менее устойчивы, чем при наличии зарядов, поскольку заряд белковой молекулы является фактором электростатического отталкивания белковых молекул, определяют ионные связи в белках и формируют наиболее устойчивую конформацию белковой молекулы.

Таким образом, заряд белковой молекулы является мощным стабилизирующим фактором, препятствующий осаждению белков из растворов.

Формирование гидратной (водной) оболочки Белки обычно имеют такую пространственную укладку, при которой гидрофобные группы «прячутся» в глубине белковой молекулы, а гидрофильные находятся на поверхности молекулы. К гидрофильным группам относятся — СООН, -NH2, -SH, -ОН, пептидная связь, карбонильная группа. К гидрофильным группам притягиваются диполи Н2О, в результате чего вокруг белковой молекулы формируется защитная водная «шуба», которая препятствует склеиванию белковых молекул и осаждению их из растворов. Вода, входящая в состав гидратных оболочек, называется связанной водой. Она отличается по физическим свойствам и определяет биологическую активность биополимеров.

Таким образом, гидратная оболочка белковых молекул является вторым мощным стабилизирующим фактором белковых растворов.

Если каким-то воздействием убрать один или оба стабилизирующие факторы, то белки выпадают в осадок (происходит осаждение белков).