 |
Физико-химические свойства белков
|
|
|
|
Амфотерные свойства белков. Изоэлектрическая точка белков
Белки, благодаря присутствию в их составе ионных и полярных группировок (–NH2; –COOH; –SH; –OH и т.д.) находятся в водных растворах в виде заряженных частиц. В зависимости от соотношения в белке основных (–NH2 аминных) и кислых (–СООН карбоксильных) группировок и рН среды молекула белка в водном растворе приобретает положительный или отрицательный заряд. Большинство белков животного происхождения содержат в своем составе больше моноаминодикарбоновых аминокислот (аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота), и поэтому в водных растворах они заряжаются отрицательно. Эти белки называются белками-анионами. Некоторые белки содержат в своем составе значительные количества диаминомонокарбоновые кислоты (аргинин, лизин, гистидин) и поэтому заряжаются положительно, их называют белками-катионами. Одноименный заряд молекул способствует взаимному отталкиванию частиц и обеспечивает устойчивость их в водном растворе.
Число ионизированных групп в белке может быть увеличено или уменьшено при изменении рН среды. В кислой среде подавляется диссоциация карбоксильных групп и отрицательный суммарный заряд белка уменьшается. В щелочной среде подавляется ионизация аминных групп и положительный суммарный заряд белка уменьшается. При определенном значении рН число положительных зарядов на поверхности белковой молекулы будет равным числу отрицательных зарядов и, в целом заряд молекулы белка станет равным нулю.
Состояние белка, при котором суммарный заряд его равен нулю, называется изоэлектрическим состоянием. рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии называется изоэлектрической точкой белка и обозначается р I.
|
|
|
В изоэлектрической точке отсутствие заряда у молекул белка ослабляет силы отталкивания между белковыми частицами, что благоприятствует агрегации белковых молекул и выпадению белка в осадок, т.е. в изоэлектрической точке раствор белка неустойчив, так как белок теряет один из факторов стабилизации белковых водных растворов – заряд.
При добавлении щелочи или кислоты к белку, выпавшему в осадок в изоэлектрическом состоянии, наступает перезарядка его молекул, и белок вновь переходит в раствор – растворяется.
Денатурация белков
Белки сохраняют свою нативную структуру и выполняют свойственную им функцию только при определенных физико-химических параметрах среды. Если каким-то образом разрушить связи стабилизирующие пространственную структуру (вторичную, третичную, четвертичную) белковой молекулы, то упорядоченная, уникальная для каждого белка конформация пептидной цепи нарушается и молекула целиком или в значительной части принимает форму случайного беспорядочного клубка.
Изменение пространственной (нативной) конформации белков, под воздействием различных физико-химических факторов, приводящих к изменению физико-химических свойств белков и их биологических функций называется денатурацией. При денатурации изменениям подвергаются в большей степени четвертичная и третичная структуры, в меньшей степени – вторичная структура, а первичная структура белка сохраняется.
Денатурирующие факторы
Денатурацию белков можно вызвать действием физических и химических факторов.
К физическим факторам относятся: температура, давление, повышенная влажность, высокочастотное облучение, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, механическое воздействие и др. Высокая температура (выше 60º) вызывает разрушение в белке гидрофобных и водородных связей. Скорость тепловой денатурации зависит от температуры, влажности, (сухие белки более устойчивы к денатурации). Тепловая денатурация сопровождается агрегацией белков, выпадением их в осадок, что представляет собой уже вторичное явление. Типичным примером денатурации может служить свертывание белков куриного яйца при нагревании. Однако при лиофилизации (вымораживании) большинство белов не денатурирует, поэтому этот способ сушки используется для получения белковых препаратов. При энергичном встряхивании яичного белка образуется белая воздушная масса, которая также является следствием денатурации белка.
|
|
|
К химическим факторам относятся: действие кислот и щелочей, катионов тяжелых металлов, органических растворителей и др.
Действие кислот и щелочей на белки вызывает денатурацию вследствие перезарядки и изменения диссоциации ионогенных аминокислот. При сильном подкислении или подщелачивании все диссоциирующие группы белка имеют одноименный заряд (преимущественно NН3+-групп при низких значениях рН и –СОО– – при высоких). Взаимное отталкивание одноименных зарядов вызывает разрыв части слабых связей, в результате чего нарушается нативная структура. Однако имеются белки, которые устойчивы при крайних значениях рН. Например, пепсин при рН 1,5-2 имеет максимальную активность, у аргиназы оптимум рН 9,5-9,7.
Денатурация белка вызванная действием катионов тяжелых металлов и некоторых анионов – иода, тиоционата приводит к образованию прочных комплексных соединений, в результате которых происходит нарушение собственных связей в белке (ионных, водородных, гидрофобных).
Действие органических растворителей вызывает нарушение гидрофобных взаимодействий в молекулах белка. Полярные денатурирующие агенты низкие спирты, этиленгликоль, диоксан и др. образуют водородные связи с аминогруппами или карбоксильными группами пептидного остова и с некоторыми группами радикалов аминокислот, подменяя собственные внутримолекулярные водородные связи в белке, вследствие чего четвертичная, третичная и вторичная структуры частично или полностью разрушаются (см. рисунок 5).
|
Рисунок 5 – Схема денатурации белковой молекулы
|
|
|
а – исходное состояние белковой молекулы;
б – начинающееся обратимое нарушение молекулярной структуры;
в – необратимое развертывание полипептидной цепи
Некоторые химические соединения (глицерин, глюкоза и др. сахара) оказывают на белки защитное действие. Считают, что это связано с их адсорбцией на глобулах белков и образованием крупных гидрофильных комплексов.
Денатурация белков сопровождается изменением их физико-химических свойств. Снижается растворимость, гидрофильность белка, его вязкость, оптические свойства. Денатурированные белки дают более интенсивные цветные реакции на аминокислоты, т.к. они стали более доступными вследствие развертывания полипептидной цепочки. Гидролиз денатурированных белков ферментами протекает с большей скоростью, что приводит к лучшему перевариванию белков в организме.
При денатурации белок теряет свою биологическую активность, что выражается, например, в неспособности ферментов, гормонов, вирусов выполнять свои функции, т. е. они инактивируются.
В определенных условиях, при удалении денатурирующего агента или при медленном охлаждении раствора белка денатурированного нагреванием можно восстановить частично или полностью нативную структуру белка (см. рисунок 6). Такой процесс называется ренатурацией – это восстановление исходной (нативной) конформации и специфической биологической функции белка.
Рисунок 6 – Схема денатурации и ренатурации белковой молекулы рибонуклеазы
а – развертывание (мочевина + меркаптоэтанол);
б– повторное свертывание
Процесс денатурации белков играет большую роль в технологии пищевых продуктов при их тепловой обработке. Так потеря всхожести и ухудшение хлебопекарных свойств, происходящее вследствие перегрева зерна при его неправильной сушке в зерносушилке, является следствием денатурации белков. Процесс глубокой денатурации происходит при выпечке хлеба. Копчение мяса при температуре (40-90ºС) сопровождается частичной денатурацией белков и освобождением скрытых функциональных групп
(–SH, –COOH, –NH2, –OH–, =С=О и др.), которые могут вступать во взаимодействие с летучими продуктами коптильных газов. В результате всех перечисленных процессов происходит необратимая дегидратация, коагуляция части белков, в связи с чем уменьшается влагоудерживающая способность ткани, продукт лучше обезвоживается и уплотняется.
|
|
|
Бланшировка плодов и овощей вызывает денатурацию окислительных ферментов – пероксидазы, о –дифенолоксидазы, аскарбатоксидазы и т.д. что ведет к сохранению витамина С и препятствует образованию темноокрашенных соединений – меланинов. Тепловая обработка пищевых продуктов повышает их вкусовые качества и усвояемость, поскольку денатурированные белки обладают лучшей атакуемостью пищеварительными ферментами.
|
|
|
