CAPITOLUL 20
PROTEINE (POLEELECTROLITE)
Proteinele sunt substratul principal al vieții. Acestea fac parte din toate organismele animale.
Proteinele reprezintă o parte necesară a alimentelor. Procesele microbiologice și biochimice din organism, precum și în anumite cicluri tehnologice, sunt în mare parte atribuite proprietăților proteinelor. Proteinele sunt compuși cu molecule înalte și conțin simultan grupe ionizante, adică posedă proprietățile polielectroliților; ele prezintă un număr de proprietăți specifice chimice coloidale.
Polielectroliții sunt împărțiți în poli-acide, baze poli și poliamfoliți. Electroliții puternici, spre deosebire de cei slabi în soluții apoase, sunt complet ionizați. electroliți puternici conțin grupe sulfo, sulfat sau fosfat, de exemplu, polivinilsulfokislotnye [-CH2 CH (SO3 H) -] și baze puternice - grupări cuaternare de amoniu (CH3) 2-N + (CH3) 2. Pentru a include poliacid slab având o grupare carboxil și baze slabe includ compuși incluzând grupări amino primare, secundare și terțiare.
20.1. Proteinele ca polielectroliți
Polielectroliții sunt DIU, ale căror macromolecule conțin grupuri capabile să ionizeze în soluție. Polyelectrolytes conțin un număr mare de grupe ionice ( „poli“) și soluțiile lor sunt capabile de a trece un curent electric ( „electroliți“). Grupurile ionogene pot fi acide sau bazice, dar și acide și bazice.
Polielectroliții includ anumiți schimbători de ioni și floculanți (a se vedea punctele 6.5 și 10.7)
Gruparea carboxilică acidă (-COOH) conține o porțiune solubilă a amidonului și gruparea acidului sulfonic (-S03) este o porțiune solubilă a agarului agar. Proprietățile principale ale polielectroliților sunt determinate de gruparea amino -NH2. Proteinele sunt cele mai comune polielectrolite. În plus față de proteinele acid (-COOH) conțin și grupările bazice (-NH2), etc. Din acest motiv, acestea pot fi considerate ca amfoliți.
Macromoleculele de proteine sunt formate din aminoacizi (NH2-R-COOH). În timpul interacțiunii grupărilor carboxil și amino se formează legături peptidice
O
||
-C-NH-, care formează lanțuri polipeptidice de proteine.
Legăturile peptidice sunt închise în dreptunghiuri, iar semnele "-" și "+" indică o încărcare excesivă datorată schimbării norului de electroni și determină hidrofilicitatea macromoleculelor.
În macromolecule de proteine, este posibilă o combinație diferită de lanțuri de polipeptide, formată din numai 20 de aminoacizi simpli. Numărul de combinații diferite ale acestor acizi este determinat de numărul de atomi care formează macromoleculele (de ordinul lui 10 3 -10 4) și de un număr semnificativ de grade de libertate conforme (10 2 -103). Din acest motiv, lanțul polipeptidic poate lua multe stări conformaționale microscopice, de ordinul a 10 n (n este numărul de resturi de aminoacizi care ajung la câteva sute), ceea ce determină diversitatea proteinelor.
Catenele lanțurilor polipeptidice formează structura primară a proteinelor. care se referă la baza structurală covalentă a macromoleculelor și la o anumită secvență de reziduuri de aminoacizi. Greutatea moleculară a macromoleculelor de proteine poate varia de la 1,2 ÷ 10 4 ÷ 10 6.
Toate moleculele unei proteine naturale date sunt identice în compoziția de aminoacizi, secvența de resturi de aminoacizi și lungimea legăturii polipeptidice. Astfel, hemoglobina umană constă din 574 de resturi de aminoacizi și are o masă moleculară egală cu 64500.
Proteinele în starea lor naturală sunt numite native, iar proprietățile lor coloidale depind de structura macromoleculelor; disting structura globulară și fibrară a proteinelor.
Macromoleculele de proteine fibrilare sunt lanțuri polipeptidice alungite de-a lungul unei axe. Proteinele fibrilare sunt de obicei insolubile în apă. Figura 20.1 prezintă structura proteinei fibrilare - keratina părului. Macromoleculele de cheratină se înfășoară una pe cealaltă ca o frânghie. În organism, proteinele fibrilare îndeplinesc adesea funcții mecanice. De exemplu, proteinele fibrilare includ colagenul și gelatina - componentele pielii și tendoanelor, precum și miozina, care face parte din mușchi.
Proteinele, care sunt capabile să formeze globule, se numesc globule (Fig.20.2, a). Proteinele globulare sunt caracterizate printr-o formă specifică de coagulare a lanțului polipeptidic în spațiu. Proprietățile coloid-chimice ale proteinelor globulare sunt mai evidente decât în proteinele fibrilare. Majoritatea centrelor polifere hidrofilice [ formula (20.1)] de macromolecule de proteine este localizată în afara globulelor, ceea ce determină hidrofilitatea, solubilitatea în apă și reactivitatea ridicată.
Proteinele globulare se găsesc în sânge, limf, și în protoplasmul celular. Proteinele din acest grup includ albuminele și globulinele de proteine din ouă, lapte, ser, pepsină de suc gastric etc.
Structura macromoleculei proteinei fibrilare a keratinei
Principala caracteristică a proteinelor, care determină individualitatea lor, este capacitatea de a forma în mod spontan, pe lângă primar, o structură spațială specifică unei anumite proteine, care poate fi caracterizată ca un fel de auto-organizare a structurii.
Conform conceptului de organizare structurală și funcțională a proteinei macromolecule native structura tridimensională a macromoleculei proteinei este complet determinată de secvența de aminoacizi corespunde cu energia internă minimă, și în toate etapele lanțului proteic de coagulare spontană predomină interacțiunile intramoleculare ale atomilor nelegați ai interacțiunilor intermoleculare; în conformația nativă a macromoleculei de proteine trebuie să accepte interacțiunile intramoleculare ale atomilor nelegați.
Interacțiunile interamoleculare, care se realizează datorită legăturilor de hidrogen, van der Waals și forțelor electrostatice, pot fi apropiate, medii și îndepărtate. definesc în apropierea posibilitățile conformationale minime din cadrul fiecărui rest de aminoacid, mediu - combinarea reziduurilor conformaționale cele mai favorabile din zonele locale ale lanțului de proteine și interacțiunile îndepărtate sunt reduse pentru a forma între toate porțiunile proteinei stabilizatoare contactelor circuitului.
În organizarea globulelor de proteine cele mai importante interacțiuni intramoleculare sunt hidrofobe (a se vedea punctul 5.5). Lanțurile hidrocarburi ne-laterale de hidrocarburi ale reziduurilor acide sunt contactate preponderent între ele, mai degrabă decât cu molecule de apă polară. Dimpotrivă, lanțurile laterale preferă să interacționeze cu apa. Ca rezultat, lanțul proteic se poate plia în Globula, astfel încât resturile nepolare prin interacțiuni hidrofobe vor fi în interiorul macromoleculei și reziduurile polare vor fi amplasate pe suprafețele globulă în contact cu apa.
În plus față de proteine simple constând din reziduuri de aminoacizi, există proteine complexe care conțin diferite grupuri de atomi. Proteinele complexe includ: hemoglobina, care include un complex fier-porfirin; glicoproteine care conțin molecule de hidrocarburi; nucleoproteine care conțin acizi nucleici, precum și lipoproteine, care includ molecule de grăsimi și steroizi.
În plus față de proteine, nucleele biologice sunt acizi nucleici, care sunt conținute în toate tipurile de materii vii. Reziduurile acidului fosforic, care intră în macromoleculele acizilor nucleici, determină proprietățile lor ca polielectroliți acide. De asemenea, reziduurile de acid fosforic, acidul nucleic include și alte grupuri de molecule, în special zaharide peptozanovyh.
Acidul dezoxiribonucleic (ADN) conține deoxiriboză. ADN-ul împreună cu acidul ribonucleic (ARN) exercită o importantă funcție biologică în organismul viu: determină ereditatea și programează sinteza proteinelor.
Dacă o proteină cu capacitatea inerentă de auto-organizare este începutul activ al vieții, atunci ADN-ul acționează ca potențial început. Sinteza proteinelor din organism are loc conform codului genetic încorporat în structura acizilor nucleici.
Proteinele sunt o creație unică a organismelor vii. Fiind produsele activității lor de viață, ei înșiși oferă posibilitatea existenței și dezvoltării organismului.
20.2. Proteinele ca soluții coloidale
Proprietățile chimice ale proteinelor nu pot fi corelate direct cu structura chimică a lanțului lor polipeptidic. Ele sunt determinate de organizarea structurală a macromoleculelor de proteine.
Să luăm în considerare câteva proprietăți ale proteinelor ca soluții coloidale. Pentru proteine, electroforeza este caracteristică (a se vedea punctul 7.3). Capacitatea proteinelor la electroforeză înseamnă că macromolecul proteic formează un strat dublu electric (a se vedea figura 7.2). Încărcarea stratului de formare a potențialului este determinată de proprietățile macromoleculelor de proteină ca un polielectrolit.
Lungimea polipeptidică lungă a proteinei [în formula (20.1) sunt prezentate doar două legături polipeptidice, de fapt există sute dintre ele] la capete numai două grupuri ionizate de molecule. În grupurile laterale ale lanțurilor de polipeptide ale macromoleculelor de proteine există un număr mare de grupe ionogene care sunt capabile să disocieze în apă conform următoarei scheme:
Grupurile laterale ale macromoleculelor creează condițiile pentru formarea DES.
?. Semnul și valoarea electrice (-potential -potential și va fi determinată de proprietățile mediului Când acidul în exces, adică în condiții acide, disocierea grupărilor carboxil este suprimata, echilibrul de reacție (20,2) este deplasat spre stânga, iar echilibrul reacției (20,3) - la partea din dreapta. macromolecule proteine va transporta o sarcină pozitivă în exces și să devină polycations. este potențialul devine mai mare decât zero (> 0) și macromolecule proteice electroforeză va trece la catod (Fig. 20.3).
În mediul alcalin, cu un exces de anioni OH, disocierea grupărilor bazice este suprimată, echilibrul reacției (20.3) se deplasează spre stânga și echilibrul reacției (20.2) - spre dreapta. Macromoleculă proteică generează o încărcătură negativă (a7 este observată în soluțiile unor astfel de proteine cum ar fi gliadina de grâu, prolaminul etc.)
Folosind pH-ul mediului, capacitatea de ionizare a macromoleculelor de proteine poate fi modificată. Constantele de disociere ale grupurilor acide și bazice ale proteinelor nu coincid. Din acest motiv, numărul grupelor bazice și acidului disociat de macromolecule de proteine poate fi același numai la o anumită valoare a pH-ului mediului. O astfel de stare corespunde unui punct izoelectric (IET), adică valoarea pH a mediului în care numărul grupelor bazice ionizate este egal cu numărul de grupe de acid ionizat.
În IET, contra ionii compensează complet sarcina stratului de formare a potențialului (vezi Figura 7.4), iar potențialul β devine zero.
Proteinele PI se situează în domeniul de la pH 2 (v pepsină) până la 10,6 (y tsitrohroma C), dar, de preferință, corespunde unei proteine pH pl și + 3 COO - pot fi atrași unul de celălalt și de a strânge macromoleculei într-o minge și chiar globulare (Fig pI . 20.4).
La pH, deplasat față de IET, disocierea unor grupuri funcționale este suprimată; într-un mediu acid [cf. Ecuația (20.2)] - grupări carboxil și în grupul alcalin - grupe amino [cf. ecuația (20.3)]. Ca rezultat, grupurile de molecule cu același nume sunt încă încărcate, care resping, astfel încât macromoleculele sunt îndreptate (regiuni I sau II).
În IET, proprietățile soluțiilor proteice variază. Coagularea macromoleculelor în bobină reduce vâscozitatea soluției la o valoare minimă (curba 2).
P
Fig. 20.4.Zavisimost starea conformațională a macromoleculei de proteine (1), coeficientul de gradul vyazkostii nabuhaniya (2) la pH: regiune IiII- respectiv mai mică și mai mare punct izoelectric (pI)
După rectificarea macromoleculei (regiuni I sau II), se asigură o mai mare rezistență la curgerea fluidului și la coeficientul de vâscozitate. și, prin urmare, crește și viscozitatea. Același grad de umflare are o dependență de pH-ul mediului. În IET, unele proteine au cea mai mică solubilitate și capacitatea maximă de a împrăștia lumina.
Mobilitatea electroforetică, care determină rata de electroforeză și este calculată din formula (7.16), depinde de încărcătura macromoleculelor și de potențialul β. Prin schimbarea proprietăților mediului, este posibilă reglarea capacității de ionizare a proteinelor, modificarea structurii stratului dublu și a valorii potențialului β - prin aceasta reglând rata de electroforeză; acest lucru creează oportunități suplimentare pentru separarea unui amestec de proteine prin electroforeză. Pentru a obține proteinele din amestecul lor, este mai întâi necesar să scapi de compușii cu conținut scăzut de molecule. În acest scop este utilizată dializa (vezi Figura 12.7, c). Macromoleculele mari de proteine rămân în vas, iar impuritățile moleculare scăzute trec prin peretele semipermeabil.
Trimiteți-le prietenilor: