Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ

ГЛАВА 2. БІЛКИ І ПЕПТИДИ

2.4. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ

1. Кислотно-основні властивості білків.

Завдяки наявності значної кількості іоногенних груп (α-амінні та α-карбоксильні кінцеві групи, бічні радикали кислих та основних амінокислот) білкові молекули є амфотерними електролітами й у водних розчинах утворюють амфіони, знак та заряд яких залежить від їх амінокислотного складу та рН середовища.

Подібно до вільних амінокислот, у кислому середовищі переважають катіонні форми білкових молекул, у лужних — аніонні. Наявність заряду в молекулах білків визначає їх здатність до електрофорезу — руху в постійному електричному полі. Електрофоретична рухомість молекул білків залежить від їх заряду та молекулярної маси, що дозволяє застосовувати метод електрофорезу для фракціонування складних білкових сумішей.

Електрофорез як метод розділення білків сироватки крові широко використовується в клінічній біохімії. При застосуванні паперового або гелевого електрофорезу білки крові поділяються на такі основні фракції: альбуміни, α1- , α2-, β- та γ-глобуліни, фібриноген (детально — див. главу “Біохімія крові").

Змінюючи рН, можливо перевести білок у стан, при якому сумарний електричний заряд білкової молекули дорівнює нулю (ізоелектричний стан). Відповідне значення рН отримало назву рН ізоелектричної точки білка (рІ). У складі більшості природних білків кількість аніоногенних амінокислотних залишків перевищує кількість катіоногенних залишків, тому для багатьох білків рІ знаходиться в кислому середовищі, і при нейтральних або слаболужних значеннях рН вони знаходяться у формі аніонів (наприклад, білки плазми крові). Лужними є компоненти ядерних дезоксирибонуклеопротеїнів білки гістони, що містять у своєму складі значну кількість залишків позитивно заряджених амінокислот аргініну та лізину.

2. Розчинність білків.

Розчинність окремих білків у різних фізико-хімічних середовищах залежить від переважання в їх складі полярних або неполярних амінокислотних залишків.

Багато глобулярних білків (зокрема, білків сироватки крові та інших біологічних рідин) містять на своїй поверхні гідрофільні залишки полярних незаряджених або заряджених амінокислот, які добре взаємодіють із дипольними молекулами води, утворюючи навколо білкових молекул гідратні оболонки. Ці білки добре розчинні у воді або слабких сольових розчинах солей лужних металів.

Збільшення в розчинах вмісту катіонів металів та амонію супроводжується дегідратацією білкових молекул і осадженням певних білків (метод висолювання). Із цією метою найбільш часто використовуються концентровані розчини сульфату амонію, сульфату натрію, хлоридів натрію та калію. Змінюючи концентрацію висолюючих реагентів, можливо здійснювати диференційоване осадження (фракціонування) певних білкових фракцій. Наприклад, в умовах напівнасичення сироватки крові сірчанокислим амонієм відбувається осадження глобулінів, при повному насиченні—альбумінів.

3. Денатурація білків.

Під денатурацією розуміють втрату білковою молекулою притаманної їй просторової структури (нативної конформації) та порушення характерних для даного білка фізико-хімічних властивостей. Денатурація супроводжується зниженням або втратою специфічної для даного білка біологічної активності (ферментативної, гормональної тощо).

Вона відбувається внаслідок впливу на білкові розчини та білки, що знаходяться в біологічних середовищах, жорстких хімічних, фізико-хімічних та фізичних факторів. Денатурацію викликають дія кислот, лугів, органічних розчинників, нагрівання білків до 60-80 °С, дія високих доз ультрафіолетового та іонізуючого випромінювання. Механізм впливу денатуруючих агентів полягає в руйнуванні слабких зв’язків (водневих, іонних, дипольних, гідрофобних), що стабілізують упорядковані типи просторової організації білкових молекул (вторинну та третинну структуру).

4. Взаємодія білків із різними хімічними лігандами.

Внаслідок наявності на поверхні білкових молекул значної кількості активних функціональних груп, білки здатні до зв’язування різноманітних хімічних лігандів. До лігандів, з якими можуть взаємодіяти білкові молекули, належать низькомолекулярні та високомолекулярні сполуки, зокрема як біомолекули, так і чужорідні хімічні сполуки, що надходять в організм з оточуючого середовища.

Зв’язування білками певних хімічних лігандів у багатьох випадках є механізмом реалізації транспортної, регуляторної або каталітичної функцій даних білків. Наприклад, сорбція жирних кислот та білірубіну альбуміном сироватки крові, зв’язування глюкокортикоїдів та прогестинів транскортином плазми є етапом циркуляторного транспорту цих біомолекул, взаємодія специфічного білка клітин шлунка (фактору Касла) з вітаміном В12 необхідна для всмоктування цього вітаміну слизовою оболонкою. Взаємодія деяких білків із лігандами являє собою форму депонування останніх (наприклад, зв’язування іонів заліза з білком феритином).

Поряд із білками, взаємодія яких із небілковими лігандами є етапом їх транспорту або депонування, існують класи білків, які постійно зв’язані з певними небілковими сполуками, що являються інтегральними структурними компонентами цих білків. У даному випадку йдеться про генетичну запрограмованість окремих білкових структур до взаємодії із своїми лігандами і реалізацію білком його специфічних функцій тільки у складі таких хімічних або фізико-хімічних комплексів. На відміну від зазначених вище типів взаємодій, зв’язування таких складних білків з їх небілковими частинами в багатьох представників цих білків (глікопротеїнів, фосфопротеїнів) відбувається внутрішньоклітинно, є етапом біосинтезу даного білка — посттрансляційної модифікації, що здійснюється в ендоплазматичному ретикулумі або апараті Гольджі після рибосомального збору поліпептидного ланцюга.

Прості та складні білки

Білки, до складу яких входять лише залишки амінокислот, об’єднані в поліпептидні ланцюги, отримали назву простих білків. Білки, до складу яких входять приєднані ковалентними або нековалентними зв’язками інші біомолекули або іони металів, називаються складними білками.

Сполуками неамінокислотної природи, що входять до складу складних білків (простетичними групами), можуть бути вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти, нуклеотиди, порфірини, іони металів, залишки фосфорної кислоти. Простетична група може бути з’єднана з білковою частиною (апопротеїном) як ковалентними зв’язками, так і нековалентними (водневими, іонними, гідрофобними).

Залежно від хімічної природи простетичної групи складні білки поділяються на:

а) глікопротеїни — білки, простетичними групами в яких є моно- або олігосахариди. У складі глікопротеїнів вуглеводна частина ковалентно зв’язана з одним із бічних амінокислотних радикалів пептидного ланцюга. Комплекси білків із високомолекулярними гетерополісахаридами (мукополісахаридами) називаються протеогліканами;

б) ліпопротеїни — білки, простетичними групами яких є ліпіди (триацилгліцероли, складні ліпіди тощо);

в) нуклеопротеїни — білки, небілковою частиною яких є нуклеїнові кислоти ДНК та РНК (дезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни, відповідно). Нуклеопротеїни є надмолекулярними комплексами, що становлять субклітинні органели — хроматин, рибосоми тощо;

г) хромопротеїни — білки, що мають забарвлену, пігментну простетичну групу (нуклеотид, порфірин у комплексі з металом); прикладами хромопротеїнів є флавопротеїни та цитохроми дихального ланцюга мітохондрій, гемоглобін еритроцитів;

д) металопротеїни — білки, які містять метал, що не входить до складу металопорфіринового комплексу;

е) фосфопротеїни — білки, які містять у своєму складі залишок фосфорної кислоти, поєднаний фосфодіефірним зв’язком із гідроксильної групою серину або треоніну пептидного ланцюга.