Ons artikel zal worden gewijd aan de studie van de eigenschappen van stoffen die aan de basis liggen van het fenomeen leven op aarde. Eiwitmoleculen zijn aanwezig in niet-cellulaire vormen - virussen, maken deel uit van het cytoplasma en de organellen van prokaryotische en nucleaire cellen. Samen met nucleïnezuren vormen ze de erfelijkheidssubstantie - chromatine en vormen ze de belangrijkste componenten van de kern - chromosomen. Signalering, opbouw, katalytisch, beschermend, energie - dit is een lijst van biologische functies die eiwitten uitvoeren. De fysisch-chemische eigenschappen van eiwitten zijn hun vermogen om op te lossen, neer te slaan en uit te zouten. Bovendien zijn ze in staat te denatureren en zijn ze door hun chemische aard amfotere verbindingen. Laten we deze eigenschappen van eiwitten verder onderzoeken.
Soorten eiwitmonomeren
20 soorten α-aminozuren zijn de structurele eenheden van eiwitten. Naast de koolwaterstofradicaal bevatten ze NH2- aminogroep en COOH-carboxylgroep. Functionele groepen bepalen de zure en basische eigenschappen van eiwitmonomeren. Daarom worden verbindingen van deze klasse in de organische chemie amfotere stoffen genoemd. Waterstofionen van de carboxylgroep in het molecuul kunnen worden afgesplitst en aan aminogroepen worden gebonden. Het resultaat is een inwendig zout. Als er meerdere carboxylgroepen in het molecuul aanwezig zijn, zal de verbinding zuur zijn, zoals glutaminezuur of asparaginezuur. Als aminogroepen overheersen, zijn aminozuren basisch (histidine, lysine, arginine). Met een gelijk aantal functionele groepen heeft de peptide-oplossing een neutrale reactie. Het is vastgesteld dat de aanwezigheid van alle drie de soorten aminozuren van invloed is op de eigenschappen die eiwitten zullen hebben. De fysisch-chemische eigenschappen van eiwitten: oplosbaarheid, pH, macromolecuullading, worden bepaald door de verhouding van zure en basische aminozuren.
Welke factoren beïnvloeden de oplosbaarheid van peptiden
Laten we alle noodzakelijke criteria ontdekken waarvan de processen van hydratatie of solvatatie van eiwitmacromoleculen afhangen. Dit zijn: ruimtelijke configuratie en molecuulgewicht, bepaald door het aantal aminozuurresten. Het houdt ook rekening met de verhouding tussen polaire en niet-polaire delen - radicalen die zich op het oppervlak van het eiwit in de tertiaire structuur bevinden, en de totale lading van het polypeptide-macromolecuul. Alle bovenstaande eigenschappen hebben direct invloed op de oplosbaarheid van het eiwit. Laten we ze eens nader bekijken.
Globules en hun vermogen om te hydrateren
Als de externe structuur van het peptide een bolvorm heeft, dan is het gebruikelijk om te praten over de bolvormige structuur. Het wordt gestabiliseerd door waterstof- en hydrofobe bindingen, evenals door de krachten van elektrostatische aantrekking van tegengesteld geladen delen van het macromolecuul. Zo bestaat hemoglobine, dat zuurstofmoleculen door het bloed transporteert, in zijn quaternaire vorm uit vier fragmenten van myoglobine, verenigd door heem. Bloedeiwitten zoals albuminen, α- en ϒ-globulinen interageren gemakkelijk met bloedplasmastoffen. Insuline is een ander bolvormig peptide dat de bloedglucosespiegels bij zoogdieren en mensen reguleert. De hydrofobe delen van dergelijke peptidecomplexen bevinden zich in het midden van de compacte structuur, terwijl de hydrofiele delen zich op het oppervlak bevinden. Dit geeft hen het behoud van natuurlijke eigenschappen in het vloeibare medium van het lichaam en combineert ze tot een groep van in water oplosbare eiwitten. De uitzondering zijn bolvormige eiwitten die de mozaïekstructuur vormen van de membranen van menselijke en dierlijke cellen. Ze worden geassocieerd met glycolipiden en zijn onoplosbaar in de intercellulaire vloeistof, wat hun barrièrerol in de cel verzekert.
Fibrilaire peptiden
Collageen en elastine, die deel uitmaken van de dermis en de stevigheid en elasticiteit bepalen, hebben een filamenteuze structuur. Ze kunnen uitrekken en veranderen hun ruimtelijke configuratie. Fibroïne is een natuurlijk zijde-eiwit dat wordt geproduceerd door zijderupslarven. Het bevat korte structurele vezels, bestaande uit aminozuren met een kleine massa en moleculaire lengte. Dit zijn in de eerste plaats serine, alanine en glycine. Zijnpolypeptideketens zijn georiënteerd in de ruimte in verticale en horizontale richtingen. De stof behoort tot de structurele polypeptiden en heeft een gelaagde vorm. In tegenstelling tot bolvormige polypeptiden is de oplosbaarheid van een eiwit dat uit fibrillen bestaat erg laag, omdat de hydrofobe radicalen van de aminozuren op het oppervlak van het macromolecuul liggen en polaire oplosmiddeldeeltjes afstoten.
Keratines en kenmerken van hun structuur
Gezien de groep van structurele eiwitten met een fibrillaire vorm, zoals fibroïne en collageen, is het noodzakelijk om stil te staan bij nog een groep peptiden die wijdverbreid in de natuur voorkomen: keratines. Ze dienen als basis voor delen van het menselijk en dierlijk lichaam als haar, nagels, veren, wol, hoeven en klauwen. Wat is keratine in termen van zijn biochemische structuur? Er is vastgesteld dat er twee soorten peptiden zijn. De eerste heeft de vorm van een secundaire spiraalstructuur (α-keratine) en vormt de basis van het haar. De andere wordt weergegeven door meer rigide gelaagde fibrillen - dit is β-keratine. Het kan worden gevonden in de harde delen van het lichaam van dieren: hoeven, snavels van vogels, schubben van reptielen, klauwen van roofzuchtige zoogdieren en vogels. Wat is keratine, gebaseerd op het feit dat de aminozuren, zoals valine, fenylalanine, isoleucine, een groot aantal hydrofobe radicalen bevatten? Het is een eiwit dat onoplosbaar is in water en andere polaire oplosmiddelen en dat beschermende en structurele functies vervult.
Effect van de pH van het medium op de lading van het eiwitpolymeer
Eerder vermeldden we dat de functionele groepen van eiwittenmonomeren - aminozuren, bepalen hun eigenschappen. We voegen er nu aan toe dat de lading van het polymeer er ook van afhangt. Ionische radicalen - carboxylgroepen van glutaminezuur en asparaginezuur en aminogroepen van arginine en histidine - beïnvloeden de algehele lading van het polymeer. Ze gedragen zich ook anders in zure, neutrale of alkalische oplossingen. De oplosbaarheid van het eiwit hangt ook af van deze factoren. Dus bij pH <7 bevat de oplossing een overmatige concentratie van waterstofprotonen, die de afbraak van carboxyl remmen, zodat de totale positieve lading op het eiwitmolecuul toeneemt.
De ophoping van kationen in het eiwit neemt ook toe bij een neutraal oplossingsmedium en bij een overmaat aan arginine-, histidine- en lysinemonomeren. In een alkalische omgeving neemt de negatieve lading van het polypeptidemolecuul toe, aangezien de overmaat aan waterstofionen wordt besteed aan de vorming van watermoleculen door hydroxylgroepen te binden.
Factoren die de oplosbaarheid van eiwitten bepalen
Laten we ons een situatie voorstellen waarin het aantal positieve en negatieve ladingen op een eiwithelix hetzelfde is. De pH van het medium wordt in dit geval het iso-elektrische punt genoemd. De totale lading van het peptide-macromolecuul zelf wordt nul en de oplosbaarheid ervan in water of een ander polair oplosmiddel zal minimaal zijn. De bepalingen van de theorie van elektrolytische dissociatie stellen dat de oplosbaarheid van een stof in een polair oplosmiddel bestaande uit dipolen hoger zal zijn naarmate de deeltjes van de opgeloste verbinding meer gepolariseerd zijn. Ze verklaren ook de factoren die de oplosbaarheid bepaleneiwitten: hun iso-elektrisch punt en de afhankelijkheid van hydratatie of solvatatie van het peptide van de totale lading van zijn macromolecuul. De meeste polymeren van deze klasse bevatten een overmaat -COO- groepen en hebben licht zure eigenschappen. Een uitzondering vormen de eerder genoemde membraaneiwitten en peptiden die deel uitmaken van de nucleaire substantie van erfelijkheid - chromatine. Deze laatste worden histonen genoemd en hebben uitgesproken basiseigenschappen door de aanwezigheid van een groot aantal aminogroepen in de polymeerketen.
Gedrag van eiwitten in een elektrisch veld
Voor praktische doeleinden wordt het vaak nodig om bijvoorbeeld bloedeiwitten te scheiden in fracties of individuele macromoleculen. Om dit te doen, kun je het vermogen van geladen polymeermoleculen gebruiken om met een bepaalde snelheid naar de elektroden in een elektrisch veld te bewegen. Een oplossing met peptiden van verschillende massa en lading wordt op een drager geplaatst: papier of een speciale gel. Door elektrische impulsen door bijvoorbeeld een deel van het bloedplasma te laten gaan, worden tot 18 fracties van individuele eiwitten verkregen. Onder hen: alle soorten globulinen, evenals eiwitalbumine, dat niet alleen de belangrijkste component is (het vertegenwoordigt tot 60% van de massa van bloedplasmapeptiden), maar speelt ook een centrale rol in de processen van osmose en bloedsomloop.
Hoe zoutconcentratie de oplosbaarheid van eiwitten beïnvloedt
Het vermogen van peptiden om niet alleen gels, schuimen en emulsies te vormen, maar ook oplossingen is een belangrijke eigenschap die hun fysisch-chemische eigenschappen weerspiegelt. Bijvoorbeeld eerder bestudeerdalbuminen gevonden in het endosperm van graanzaden, melk en bloedserum vormen snel waterige oplossingen met een concentratie van neutrale zouten, zoals natriumchloride, in het bereik van 3 tot 10 procent. Aan de hand van het voorbeeld van dezelfde albuminen kan men de afhankelijkheid van de oplosbaarheid van eiwitten van de zoutconcentratie achterhalen. Ze lossen goed op in een onverzadigde oplossing van ammoniumsulfaat, en in een oververzadigde oplossing precipiteren ze reversibel en, met een verdere verlaging van de zoutconcentratie door toevoeging van een portie water, herstellen ze hun hydratatieschil.
Uitzouten
De hierboven beschreven chemische reacties van peptiden met oplossingen van zouten gevormd door sterke zuren en basen worden uitzouten genoemd. Het is gebaseerd op het mechanisme van interactie van geladen functionele groepen van het eiwit met zoutionen - metaalkationen en anionen van zuurresiduen. Het eindigt met een verlies van lading op het peptidemolecuul, een afname van de waterschil en de hechting van eiwitdeeltjes. Als gevolg daarvan precipiteren ze, wat we later zullen bespreken.
Precipitatie en denaturatie
Aceton en ethylalcohol vernietigen de waterschil rond het eiwit in de tertiaire structuur. Dit gaat echter niet gepaard met het neutraliseren van de totale lading erop. Dit proces wordt precipitatie genoemd, de oplosbaarheid van het eiwit wordt sterk verminderd, maar eindigt niet met denaturatie.
Peptidemoleculen in hun oorspronkelijke staat zijn erg gevoelig voor veel omgevingsparameters, bijvoorbeeld voortemperatuur en concentratie van chemische verbindingen: zouten, zuren of logen. Versterking van de werking van beide factoren op het iso-elektrische punt leidt tot de volledige vernietiging van de stabiliserende intramoleculaire (disulfidebruggen, peptidebindingen), covalente en waterstofbindingen in het polypeptide. Vooral snel onder dergelijke omstandigheden denatureren bolvormige peptiden, terwijl ze hun fysisch-chemische en biologische eigenschappen volledig verliezen.
