Белки как полиамфолиты. Изоэлектрическая точка (ИЭТ). Изоэлектрические состояния. Кислотно-основные, окислительно-восстановительные, комплексообразующие, поверхностные свойства белков.

Полиамфолиты – высокомолекулярные соединения, содержащие и кислотную, и основную группы (белки с группами –COO– и –NHи син- тетические полимеры). Белки в их естественном состоянии называют нативными. По про- странственной структуре макромолекул; различают глобулярные и фиб- риллярные белки. 3Макромолекулы фибриллярных белков представляют собой поли-пептидные цепи, вытянутые вдоль одной оси. Фибриллярные белки обыч-но плохо растворимы в воде. В организме фибриллярные белки часто вы-полняют механические функции. Так, например, к фибриллярным белкам относятся коллаген, составляющий основу соединительной ткани животных (сухожилие, кость, хрящ, дерма и т.п.) и обеспечивающий ее прочность, а так-же миозин, входящий в состав мышц.

Глобулярные белки (от лат. globulus — шарик) хорошо растворимы в воде или слабых растворах солей белки; форма молекул у них близка к шарообразной. Такое строение молекул обеспечивается спирализацией пептидной цепи и еѐ плотной упаковкой, обусловленной третичной струк-турой. Многие глобулярные белки обладают ферментативной активно-стью. В числе важных глобулярных белков – альбумины, глобулин, миог-лобин (рис. 50), рибонуклеаза. Некоторые белки (например, актин – белок мышечных волокон) су-ществуют как в глобулярной, так и в вытянутой, фибриллярной форме. В зависимости от состояния макромолекул ВМС в растворе, их при-роды, природы растворителя, растворы ВМС могут быть молекулярными, мицеллярными (коллоидными). Поэтому растворы ВМС обладают свойствами истинных растворов, коллоидных растворов, а также для них характерны некоторые специфи-ческие свойства.

Высокомолекулярные электролиты или полиэлектролиты содержат ионогенные группы, по которым могут проходить процессы электролити-ческой диссоциации. Белковые молекулы, как продукты конденсации аминокислот, содержат основные группы –NH2 и кислотные –СООН. Та-кие соединения называются амфолитами, т.е. они способны диссоцииро-вать и по кислотному, и по основному типу в зависимости от рH среды. В водном растворе аминокислоты и белки находятся преимущественно в ви-де биполярных ионов (внутренних солей): H2N–R–COOH + H3N–R–COO– (биполярный ион, амфолит). В кислой среде, когда в результате избытка водородных ионов по-давлена ионизация карбоксильных групп, молекула белка ведет себя как основание, приобретая положительный заряд и превращаясь в сопряжен-ную кислоту: + H3N–R–COO– + H+ + H3N–R–COOH (катион, кислота). В щелочной среде, наоборот, подавлена ионизация аминогрупп, и молекула белка ведет себя как кислота, превращаясь в сопряженное осно-вание: + H3N–R–COO– + OH– H2N–R–COO– (анион, основание) + Н2О.

Однако при определенной величине рH степень диссоциации амино- и карбоксильных групп приобретает одинаковое значение, и тогда макро-молекулы белка становятся электронейтральными. Подобное состояние белковой молекулы называют изоэлектрическим (ИЭС). Значение рН, при котором наступает изоэлектрическое состояние белков, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI ). У разных белков изоэлектрическая точка соответствует различным значениям рН. ИЭТ может быть измерена с помощью электрофореза, поскольку в этой точке подвижность макромолекул становится равной нулю. Для оп- ределения ИЭТ могут быть использованы данные по набуханию полиам- фолитов в растворах с различными значениями рН.

Кислотно-основные свойства белков определяются не только значе- нием рН среды, но также их строением. Так, кислые белки в своем соста- ве содержат больше дикарбоновых кислот, поэтому количество свободных карбоксильных групп преобладает над аминогруппами.

Если в воду добавть немного протонов водорода и создать слабо- кислую среду, то кислый белок перейдет в изоэлектрическое состоя- ние (ИЭС). При дальнейшем подкислении в кислой среде подавляется диссо- циация карбоксильных групп. В щелочной среде подавляется диссоциация аминогрупп. Таким образом, изоэлектрическая точка нейтральных белков находится в нейтральной среде, кислых – в слабокислой, основ- ных – в слабощелочной. ? Все белки в кислой среде – катионы, обладающие кислотными свойствами, в щелочной – анионы, обладающие основными свой- ствами.

Белки относительно устойчивы к мягкому окислению за исключени- ем белков, содержащих аминокислоту цистеин, тиольная группа (–SH) ко- торого легко окисляется в дисульфидную, причем процесс носит обрати- мый характер: ( = –0, 22 В) Восстановл. окисленная форма форма В результате этих превращений меняется конформация белков, их нативные свойства. Поэтому серосодержащие белки чувствительны к сво- бодно радикальному окислению или восстановлению, что происходит при воздействии на организм радиации или токсичных форм кислорода. При жестком окислении тиольная группа окисляется в сульфогруппу практически необратимо: , Н 2R S S R e 2H SR 21 2 13 1

R–SH + [O] – 8ē R–SO3H (S–2 – 8 ē S+6) ( = +0, 4В и > ) сильный окислитель Жесткое окисление белков до CO2 и Н2О и аммонийных солей ис- пользуется организмом для устранения ненужных белков и получения энергетических ресурсов (16, 5–17, 2 кДж/г).

Белки – активные полидентатные лиганды, особенно те, которые со- держат следующие «мягкие» функциональные группы: тиольную (–SH); имидозольную, гуанидиновую, аминогруппу

Белки образуют комплексные соединения разной степени устойчи- вости в зависимости от поляризуемости иона – комплексообразователя. Так, с малополяризуемыми («жесткими») катионами K+, Na+ белки обра- зуют малоустойчивые комплексы, выполняющими в организме роль ио- нофоров. С менее «жесткими» катионами Са2+, Mg2+, белки образуют бо- лее прочные комплексы. С катионами d- металлов («металлы жизни») – «мягкими» кислотами Льюиса, белки образуют прочные комплексы. Ме- таллы-токсиканты, проявляющие высокую поляризуемость («очень мяг- кие»), образуют наиболее прочные комплексы с белками. Многие ферменты представляют собой хелатные комплексы белка с катионами «металлов жизни». При этом катион – комплексообразователь под влиянием белка-лиганда является активным центром фермента, а бел- ковый фрагмент выполняет роль опознователя и активатора субстрата.

Белки состоят из разных -аминокислот, имеющих как гидрофоб- ные, так и гидрофильные радикалы. Эти радикалы распределены по всей белковой цепи, поэтому большинство белков являются поверхностно- активными веществами (ПАВ). Оптимальный ГЛБ делает белки эффек- тивными стабилизаторами для лиофобных дисперсных систем, эмульгато- рами жиров и холестерина, активными компонентами биологических мембран.

Благодаря поверхностно-активным свойствам некоторые белки об- разуют лиофильные мицеллы с липидами, включая холестерин и его эфи-ры, которые назыаются липопротеинами (рис. 51). В липопротеинах меж-ду белком и липидом нет ковалентной связи, а есть межмолекулярные взаимодействия. Внешняя поверхность липопротеиновой мицеллы состо-ит из гидрофильных фрагментов белков и молекул фосфолипидов, а внут-ренняя часть – гидрофобное ялро, состоящее из жиров, холестерина и его эфиров. Гидрофильная внешняя оболочка способствует своеобразной «растворимости» подобных мицелл в воде, что делает возможным их транспорт в различные ткани. Поверхностные свойства белков, их способность к межмолекуляр-ным взаимодействиям, лежат в основе взаимодействия фермента с суб-стратом, антитела с антигеном.

13.коллоидная защита, ее роль в жизнедеятельности. Флокуляция. Пептизация, биологическая роль.

Устойчивость лиофобных золей к коагуляции возрастает в присутст-вии мыл и ВМС: белков, полисахаридов, синтетических полимеров рас-творимых в воде, и т.д. Это проявляется в повышении значений порогов коагуляции у защищенного золя и невыполнении правила Шульце-Гарди. Это явление получило название коллоидной защиты.

Коллоидная защита – повышение агрегативной устойчивости лио-фобных золей при добавлении к ним достаточного количества высо-комолекулярных соединений.

Механизм защитного действия заключается в том, что вокруг ми-целл золя образуются адсорбционные оболочки из гибких макромолекул высокомолекулярных соединений. В водных золях дифильные молекулы высокомолекулярных соединений, адсорбируясь на поверхности коллоид-ных частиц, ориентируются таким образом, что их гидрофобные участки (углеводородные радикалы) обращены к частицам дисперсной фазы, а гидрофильные фрагменты (полярные и ионогенные группы) обращены наружу, к воде. Сольватные слои обеспечивают большое расклинивающее давление при сближении двух частиц и препятствуют их слипанию. При этом система лиофилизируется, мицеллы приобретают дополнительный фактор агрегативной устойчивости за счет собственных оболочек макро-молекул.

Основные условия защитного действия: 1. Достаточно высокая растворимость ВМС в дисперсионной среде коллоидного раствора. 2. Способность к адсорбции молекул ВМС на коллоидных частицах. 3. Оптимальная концентрация ВМС для образования адсорбционно-го слоя из макромолекул, покрывающего всю поверхность мицелл.

Явление коллоидной защиты имеет большое физиологическое зна-чение: многие гидрофобные коллоиды и частички в крови и биологиче-ских жидкостях защищены белками от коагуляции. Белки крови защища-ют капельки жира, холестерин и другие гидрофобные вещества от коагу-ляции. Ослабление защитных функций белков крови приводит к отложе-нию холестерина и нерастворимых солей кальция на стенках сосудов (атеросклероз и кальциноз) обусловливая возрастные изменения в тканях – этот процесс является одним из существенных факторов старения орга-низма. Понижение защитных свойств белков и других гидрофильных со-единений в крови может привести к выпадению солей мочевой кислоты (при подагре), образованию камней в почках, желчном пузыре, протоках пищеварительных желез и т.п. В фармацевтической промышленности защитные свойства ВМС ши-роко используются для получения высокоустойчивых лекарственных пре-паратов, находящихся в коллоидном состоянии. Принцип коллоидной за-щиты используют при получении колларгола, золей серебра, золота. Час-тицы колларгола так хорошо защищены, что не коагулируют даже при высушивании. Добавление к лиофобным золям небольших количеств ВМС недос-таточно для образования адсорбционного слоя на поверхности мицеллы и приводит к противоположному эффекту – уменьшению устойчивости зо-ля.

Флокуляция – агрегирование частиц дисперсной фазы в лиофобных золях под действием небольших количеств высокомолекулярных со-единений, имеющих гибкие макромолекулы и содержащих одинако-вые функциональные группы на концах.

Флокуляция. в жидких дисперсных системах (золях, суспензиях, эмульсиях, латексах) происходит под влиянием специально добавляемых веществ – флокулянтов, а также при тепловых, механических, электриче-ских и других воздействиях. Эффективные флокулянты это растворимые полимеры, особенно полиэлектролиты. Действие полимерных флокулян-тов обычно объясняют адсорбцией нитевидных макромолекул, имеющих одинаковые функциональные группы на концах, одновременно на различ-ных частицах. Возникающие при этом агрегаты образуют хлопья (флоку-лы), которые могут быть легко удалены отстаиванием или фильтрованием. Флокулянты (поликремниевая кислота, полиакриламид и др.) широко ис-пользуются при подготовке воды для технических и бытовых нужд, обо-гащении полезных ископаемых, в бумажном производстве, в сельском хо-зяйстве (для улучшения структуры почв), в процессах выделения ценных продуктов из производственных отходов, обезвреживания промышленных сточных вод. При водоочистке полимерные флокулянты применяют обычно в концентрации 0, 1–5 мг/л. Флокуляция под действием органиче-ских веществ в природных водоѐ мах – важный фактор их самоочищения.

Пептизация – процесс обратный коагуляции – превращение свежего осадка, образовавшегося при коагуляции, в коллоидный раствор под действием пептизаторов. Условия пептизации:

Ø Свежеобразованные осадки: пептизация возможна лишь тогда, когда структура частиц в коагулянте не изменена по сравнению с первоначальной, т.е. когда еще не произошло полного тесного объединения частиц, и они слабо связаны друг с другом;

Ø Опредленное, небольшое количество электролита (чтобы не вы-звать повторную коагуляцию);

Ø Перемешивание, небольшое нагревание.

Существует несколько способов проведения пептизации: 1. Промывание осадка чистым растворителем, вымывание ионов-коагулянтов, восстановление структуры коллоидных частиц. 2. Добавление электролита-пептизатора, ионы которого адсорбиру-ются на поверхности частиц осадка, при этом ионная атмосфера восста-навливается, заряд увеличивается. Диссолюционная или химическая, состоит из двух этапов: 1. Взаимодействие добавляемого вещества с поверхностью коагулята (осадка) и образование ионов-пептизаторов; 2. Адсорбция ионов-пептизаторов на поверхности частиц осадка. Например, для образования электролита-пептизатора к осадку золя Fe(OH)3 добавляют небольшое количество раствора HCl. При этом проте-кает реакция: Fe(OH)3 + HCl FeOCl + 2H2O. Образовавшийся оксохло-рид железа(III) FeOCl диссоциирует на ионы FeO+ и Cl– (первая стадия – образование ионов-пептизаторов). Ион-пептизатор FeO+ адсорбируется на частицах Fe(OH)3 и переводит их во взаешенное состояние (вторая ста-дия). При этом способе пептизации важно добавлять очень маленькое ко-личество реагента (первая стадия), иначе может раствориться весь осадок, и вместо коллоидного образуется истинный раствор. Процесс пептизации лежит в основе рассасывания тромбов в крове-носных сосудах под действием антикоагулянтов, свежеобразованных осадков в почках, желчном пузыре, атеросклеротических бляшей на стен-ках сосудов. Однако, необходимо учитывать, что застарелые тромбы, уп-лотнившиеся камни в почках, желчном пузыре практически не подверга-ются пептизации.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: