Το άρθρο μας θα αφιερωθεί στη μελέτη των ιδιοτήτων των ουσιών που αποτελούν τη βάση του φαινομένου της ζωής στη Γη. Τα μόρια πρωτεΐνης υπάρχουν σε μη κυτταρικές μορφές - ιούς, αποτελούν μέρος του κυτταροπλάσματος και οργανιδίων των προκαρυωτικών και πυρηνικών κυττάρων. Μαζί με τα νουκλεϊκά οξέα, σχηματίζουν την ουσία της κληρονομικότητας - τη χρωματίνη και αποτελούν τα κύρια συστατικά του πυρήνα - τα χρωμοσώματα. Σηματοδότηση, οικοδόμηση, καταλυτική, προστατευτική, ενέργεια - αυτός είναι ένας κατάλογος βιολογικών λειτουργιών που εκτελούν οι πρωτεΐνες. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των πρωτεϊνών είναι η ικανότητά τους να διαλύονται, να καθιζάνουν και να αλατίζονται. Επιπλέον, είναι ικανά να μετουσιωθούν και είναι, από τη χημική τους φύση, αμφοτερικές ενώσεις. Ας εξερευνήσουμε περαιτέρω αυτές τις ιδιότητες των πρωτεϊνών.
Τύποι πρωτεϊνικών μονομερών
20 είδη α-αμινοξέων είναι οι δομικές μονάδες της πρωτεΐνης. Εκτός από τη ρίζα υδρογονάνθρακα, περιέχουν NH2- αμινομάδα και COOH-καρβοξυλική ομάδα. Οι λειτουργικές ομάδες καθορίζουν τις όξινες και βασικές ιδιότητες των μονομερών πρωτεΐνης. Επομένως, στην οργανική χημεία, οι ενώσεις αυτής της κατηγορίας ονομάζονται αμφοτερικές ουσίες. Τα ιόντα υδρογόνου της καρβοξυλικής ομάδας μέσα στο μόριο μπορούν να διαχωριστούν και να συνδεθούν με αμινομάδες. Το αποτέλεσμα είναι ένα εσωτερικό αλάτι. Εάν υπάρχουν πολλές καρβοξυλομάδες στο μόριο, τότε η ένωση θα είναι όξινη, όπως το γλουταμικό ή το ασπαρτικό οξύ. Εάν κυριαρχούν οι αμινομάδες, τα αμινοξέα είναι βασικά (ιστιδίνη, λυσίνη, αργινίνη). Με ίσο αριθμό λειτουργικών ομάδων, το διάλυμα πεπτιδίου έχει ουδέτερη αντίδραση. Έχει διαπιστωθεί ότι η παρουσία και των τριών τύπων αμινοξέων επηρεάζει τα χαρακτηριστικά που θα έχουν οι πρωτεΐνες. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των πρωτεϊνών: διαλυτότητα, pH, φορτίο μακρομορίου, καθορίζονται από την αναλογία όξινων και βασικών αμινοξέων.
Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν τη διαλυτότητα των πεπτιδίων
Ας μάθουμε όλα τα απαραίτητα κριτήρια από τα οποία εξαρτώνται οι διαδικασίες ενυδάτωσης ή διάλυσης μακρομορίων πρωτεΐνης. Αυτά είναι: η χωρική διαμόρφωση και το μοριακό βάρος, που καθορίζονται από τον αριθμό των υπολειμμάτων αμινοξέων. Λαμβάνει επίσης υπόψη την αναλογία πολικών και μη πολικών μερών - ριζών που βρίσκονται στην επιφάνεια της πρωτεΐνης στην τριτοταγή δομή και το συνολικό φορτίο του πολυπεπτιδικού μακρομορίου. Όλες οι παραπάνω ιδιότητες επηρεάζουν άμεσα τη διαλυτότητα της πρωτεΐνης. Ας τους ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά.
Τα σφαιρίδια και η ικανότητά τους να ενυδατώνουν
Αν η εξωτερική δομή του πεπτιδίου έχει σφαιρικό σχήμα, τότε συνηθίζεται να μιλάμε για τη σφαιρική δομή του. Σταθεροποιείται από δεσμούς υδρογόνου και υδρόφοβους, καθώς και από τις δυνάμεις ηλεκτροστατικής έλξης αντίθετα φορτισμένων μερών του μακρομορίου. Για παράδειγμα, η αιμοσφαιρίνη, η οποία μεταφέρει μόρια οξυγόνου μέσω του αίματος, στην τεταρτοταγή της μορφή αποτελείται από τέσσερα θραύσματα μυοσφαιρίνης, ενωμένα με αίμη. Οι πρωτεΐνες του αίματος όπως οι αλβουμίνες, οι α- και ϒ-σφαιρίνες αλληλεπιδρούν εύκολα με τις ουσίες του πλάσματος του αίματος. Η ινσουλίνη είναι ένα άλλο σφαιρικό πεπτίδιο που ρυθμίζει τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα σε θηλαστικά και ανθρώπους. Τα υδρόφοβα μέρη τέτοιων πεπτιδικών συμπλεγμάτων βρίσκονται στο μέσο της συμπαγούς δομής, ενώ τα υδρόφιλα μέρη βρίσκονται στην επιφάνειά της. Αυτό τους παρέχει τη διατήρηση των φυσικών ιδιοτήτων στο υγρό μέσο του σώματος και τις συνδυάζει σε μια ομάδα υδατοδιαλυτών πρωτεϊνών. Η εξαίρεση είναι οι σφαιρικές πρωτεΐνες που σχηματίζουν τη μωσαϊκή δομή των μεμβρανών των ανθρώπινων και ζωικών κυττάρων. Συνδέονται με τα γλυκολιπίδια και είναι αδιάλυτα στο μεσοκυττάριο υγρό, γεγονός που διασφαλίζει τον φραγμό τους στο κύτταρο.
Ινώδη πεπτίδια
Το κολλαγόνο και η ελαστίνη, που αποτελούν μέρος του χόριου και καθορίζουν τη σφριγηλότητα και την ελαστικότητά του, έχουν νηματοειδές δομή. Είναι σε θέση να τεντώνονται, αλλάζοντας τη χωρική τους διαμόρφωση. Το fibroin είναι μια φυσική πρωτεΐνη μεταξιού που παράγεται από προνύμφες μεταξοσκώληκα. Περιέχει κοντές δομικές ίνες, αποτελούμενες από αμινοξέα με μικρή μάζα και μοριακό μήκος. Αυτά είναι, πρώτα απ 'όλα, η σερίνη, η αλανίνη και η γλυκίνη. ΤουΟι πολυπεπτιδικές αλυσίδες προσανατολίζονται στο χώρο σε κάθετες και οριζόντιες κατευθύνσεις. Η ουσία ανήκει στα δομικά πολυπεπτίδια και έχει στρωματοποιημένη μορφή. Σε αντίθεση με τα σφαιρικά πολυπεπτίδια, η διαλυτότητα μιας πρωτεΐνης που αποτελείται από ινίδια είναι πολύ χαμηλή, καθώς οι υδρόφοβες ρίζες των αμινοξέων της βρίσκονται στην επιφάνεια του μακρομορίου και απωθούν τα σωματίδια των πολικών διαλυτών.
Κερατίνες και χαρακτηριστικά της δομής τους
Λαμβάνοντας υπόψη την ομάδα δομικών πρωτεϊνών ινιδιακής μορφής, όπως το ινώδες και το κολλαγόνο, είναι απαραίτητο να σταθούμε σε μια ακόμη ομάδα πεπτιδίων ευρέως κατανεμημένων στη φύση - τις κερατίνες. Χρησιμεύουν ως βάση για μέρη του ανθρώπινου και ζωικού σώματος όπως τα μαλλιά, τα νύχια, τα φτερά, το μαλλί, οι οπλές και τα νύχια. Τι είναι η κερατίνη ως προς τη βιοχημική της δομή; Έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχουν δύο τύποι πεπτιδίων. Το πρώτο έχει τη μορφή σπειροειδούς δευτερογενούς δομής (α-κερατίνη) και αποτελεί τη βάση της τρίχας. Το άλλο αντιπροσωπεύεται από πιο άκαμπτα στρώματα ινίδια - αυτή είναι η β-κερατίνη. Μπορεί να βρεθεί στα σκληρά μέρη του σώματος των ζώων: οπλές, ράμφη πουλιών, λέπια ερπετών, νύχια αρπακτικών θηλαστικών και πτηνών. Τι είναι η κερατίνη, με βάση το γεγονός ότι τα αμινοξέα της, όπως η βαλίνη, η φαινυλαλανίνη, η ισολευκίνη, περιέχουν μεγάλο αριθμό υδρόφοβων ριζών; Είναι μια πρωτεΐνη αδιάλυτη στο νερό και άλλους πολικούς διαλύτες που εκτελεί προστατευτικές και δομικές λειτουργίες.
Επίδραση του pH του μέσου στο φορτίο του πρωτεϊνικού πολυμερούς
Νωρίτερα αναφέραμε ότι οι λειτουργικές ομάδες πρωτεΐνηςμονομερή - αμινοξέα, καθορίζουν τις ιδιότητές τους. Τώρα προσθέτουμε ότι το φορτίο του πολυμερούς εξαρτάται και από αυτά. Ιονικές ρίζες - καρβοξυλομάδες γλουταμικού και ασπαρτικού οξέος και αμινο ομάδες αργινίνης και ιστιδίνης - επηρεάζουν το συνολικό φορτίο του πολυμερούς. Επίσης συμπεριφέρονται διαφορετικά σε όξινα, ουδέτερα ή αλκαλικά διαλύματα. Η διαλυτότητα της πρωτεΐνης εξαρτάται επίσης από αυτούς τους παράγοντες. Έτσι, σε pH <7, το διάλυμα περιέχει μια περίσσεια συγκέντρωσης πρωτονίων υδρογόνου, τα οποία αναστέλλουν τη διάσπαση του καρβοξυλίου, επομένως το συνολικό θετικό φορτίο στο μόριο πρωτεΐνης αυξάνεται.
Η συσσώρευση κατιόντων στην πρωτεΐνη αυξάνεται επίσης στην περίπτωση ενός μέσου ουδέτερου διαλύματος και με περίσσεια μονομερών αργινίνης, ιστιδίνης και λυσίνης. Σε ένα αλκαλικό περιβάλλον, το αρνητικό φορτίο του μορίου του πολυπεπτιδίου αυξάνεται, καθώς η περίσσεια των ιόντων υδρογόνου δαπανάται για το σχηματισμό μορίων νερού δεσμεύοντας ομάδες υδροξυλίου.
Παράγοντες που καθορίζουν τη διαλυτότητα των πρωτεϊνών
Ας φανταστούμε μια κατάσταση στην οποία ο αριθμός των θετικών και αρνητικών φορτίων σε μια πρωτεϊνική έλικα είναι ο ίδιος. Το pH του μέσου σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται ισοηλεκτρικό σημείο. Το συνολικό φορτίο του ίδιου του μακρομορίου πεπτιδίου γίνεται μηδέν και η διαλυτότητά του στο νερό ή σε άλλο πολικό διαλύτη θα είναι ελάχιστη. Οι διατάξεις της θεωρίας της ηλεκτρολυτικής διάστασης ορίζουν ότι η διαλυτότητα μιας ουσίας σε έναν πολικό διαλύτη που αποτελείται από δίπολα θα είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο πιο πολωμένα είναι τα σωματίδια της διαλυμένης ένωσης. Εξηγούν επίσης τους παράγοντες που καθορίζουν τη διαλυτότηταπρωτεΐνες: το ισοηλεκτρικό τους σημείο και η εξάρτηση της ενυδάτωσης ή της διαλυτοποίησης του πεπτιδίου από το συνολικό φορτίο του μακρομορίου του. Τα περισσότερα πολυμερή αυτής της κατηγορίας περιέχουν περίσσεια ομάδων -COO- και έχουν ελαφρώς όξινες ιδιότητες. Εξαίρεση θα αποτελούν οι προαναφερθείσες μεμβρανικές πρωτεΐνες και πεπτίδια που αποτελούν μέρος της πυρηνικής ουσίας της κληρονομικότητας - της χρωματίνης. Οι τελευταίες ονομάζονται ιστόνες και έχουν έντονες βασικές ιδιότητες λόγω της παρουσίας μεγάλου αριθμού αμινομάδων στην αλυσίδα του πολυμερούς.
Συμπεριφορά πρωτεϊνών σε ηλεκτρικό πεδίο
Για πρακτικούς σκοπούς, συχνά καθίσταται απαραίτητος ο διαχωρισμός, για παράδειγμα, των πρωτεϊνών του αίματος σε κλάσματα ή μεμονωμένα μακρομόρια. Για να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ικανότητα των φορτισμένων μορίων πολυμερούς να κινούνται με μια ορισμένη ταχύτητα στα ηλεκτρόδια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Ένα διάλυμα που περιέχει πεπτίδια διαφορετικής μάζας και φορτίου τοποθετείται σε ένα φορέα: χαρτί ή ειδικό τζελ. Περνώντας ηλεκτρικά ερεθίσματα, για παράδειγμα, μέσω ενός τμήματος πλάσματος αίματος, λαμβάνονται έως και 18 κλάσματα μεμονωμένων πρωτεϊνών. Μεταξύ αυτών: όλοι οι τύποι σφαιρινών, καθώς και η πρωτεϊνική λευκωματίνη, η οποία δεν είναι μόνο το πιο σημαντικό συστατικό (αντιπροσωπεύει έως και το 60% της μάζας των πεπτιδίων του πλάσματος του αίματος), αλλά παίζει επίσης κεντρικό ρόλο στις διαδικασίες όσμωσης και την κυκλοφορία του αίματος.
Πώς η συγκέντρωση αλατιού επηρεάζει τη διαλυτότητα των πρωτεϊνών
Η ικανότητα των πεπτιδίων να σχηματίζουν όχι μόνο γέλες, αφρούς και γαλακτώματα, αλλά και διαλύματα είναι μια σημαντική ιδιότητα που αντανακλά τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους. Για παράδειγμα, μελετήθηκε προηγουμένωςΟι αλβουμίνες που βρίσκονται στο ενδοσπέρμιο των σπόρων δημητριακών, του γάλακτος και του ορού αίματος σχηματίζουν γρήγορα υδατικά διαλύματα με συγκέντρωση ουδέτερων αλάτων, όπως το χλωριούχο νάτριο, που κυμαίνεται από 3 έως 10 τοις εκατό. Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των ίδιων λευκωματινών, μπορεί κανείς να ανακαλύψει την εξάρτηση της διαλυτότητας των πρωτεϊνών από τη συγκέντρωση άλατος. Διαλύονται καλά σε ακόρεστο διάλυμα θειικού αμμωνίου και σε υπερκορεσμένο διάλυμα κατακρημνίζονται αναστρέψιμα και, με περαιτέρω μείωση της συγκέντρωσης αλατιού με προσθήκη μερίδας νερού, αποκαθιστούν το κέλυφος ενυδάτωσης τους.
Αλάτισμα
Οι παραπάνω χημικές αντιδράσεις πεπτιδίων με διαλύματα αλάτων που σχηματίζονται από ισχυρά οξέα και αλκάλια ονομάζονται εξάλειψη. Βασίζεται στον μηχανισμό αλληλεπίδρασης φορτισμένων λειτουργικών ομάδων της πρωτεΐνης με ιόντα άλατος - μεταλλικά κατιόντα και ανιόντα υπολειμμάτων οξέος. Τελειώνει με απώλεια φορτίου στο μόριο πεπτιδίου, μείωση στο υδάτινο κέλυφος του και προσκόλληση σωματιδίων πρωτεΐνης. Ως αποτέλεσμα, καθιζάνουν, κάτι που θα συζητήσουμε αργότερα.
Κατακρήμνιση και μετουσίωση
Η ακετόνη και η αιθυλική αλκοόλη καταστρέφουν το υδάτινο κέλυφος που περιβάλλει την πρωτεΐνη στην τριτογενή δομή. Αυτό όμως δεν συνοδεύεται από την εξουδετέρωση της συνολικής φόρτισης σε αυτό. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται καθίζηση, η διαλυτότητα της πρωτεΐνης μειώνεται απότομα, αλλά δεν τελειώνει με μετουσίωση.
Τα μόρια πεπτιδίου στη φυσική τους κατάσταση είναι πολύ ευαίσθητα σε πολλές περιβαλλοντικές παραμέτρους, για παράδειγμα,θερμοκρασία και συγκέντρωση χημικών ενώσεων: άλατα, οξέα ή αλκάλια. Η ενίσχυση της δράσης και των δύο αυτών παραγόντων στο ισοηλεκτρικό σημείο οδηγεί στην πλήρη καταστροφή των σταθεροποιητικών ενδομοριακών (δισουλφιδικών γέφυρων, πεπτιδικών δεσμών), ομοιοπολικών και υδρογόνων δεσμών στο πολυπεπτίδιο. Ιδιαίτερα γρήγορα υπό τέτοιες συνθήκες, τα σφαιρικά πεπτίδια μετουσιώνονται, ενώ χάνουν εντελώς τις φυσικοχημικές και βιολογικές τους ιδιότητες.
