Mūsu raksts būs veltīts to vielu īpašību izpētei, kas ir Zemes dzīvības fenomena pamatā. Olb altumvielu molekulas atrodas ne-šūnu formās - vīrusos, ir daļa no prokariotu un kodolšūnu citoplazmas un organellām. Kopā ar nukleīnskābēm tās veido iedzimtības vielu – hromatīnu un veido galvenās kodola sastāvdaļas – hromosomas. Signalizācijas, celtniecības, katalītiskās, aizsardzības, enerģijas - tas ir bioloģisko funkciju saraksts, ko veic proteīni. Olb altumvielu fizikāli ķīmiskās īpašības ir to spēja izšķīdināt, izgulsnēties un izsālīt. Turklāt tie spēj denaturēties un pēc to ķīmiskās būtības ir amfotēriski savienojumi. Izpētīsim šīs proteīnu īpašības tālāk.
Proteīna monomēru veidi
20 veidu α-aminoskābes ir olb altumvielu strukturālās vienības. Papildus ogļūdeņraža radikālim tie satur NH2- aminogrupu un COOH-karboksilgrupa. Funkcionālās grupas nosaka olb altumvielu monomēru skābās un bāzes īpašības. Tāpēc organiskajā ķīmijā šīs klases savienojumus sauc par amfoteriskām vielām. Molekulā esošās karboksilgrupas ūdeņraža jonus var atdalīt un savienot ar aminogrupām. Rezultāts ir iekšējais sāls. Ja molekulā ir vairākas karboksilgrupas, tad savienojums būs skābs, piemēram, glutamīnskābe vai asparagīnskābe. Ja dominē aminogrupas, aminoskābes ir bāziskas (histidīns, lizīns, arginīns). Ar vienādu funkcionālo grupu skaitu peptīda šķīdumam ir neitrāla reakcija. Ir noskaidrots, ka visu trīs veidu aminoskābju klātbūtne ietekmē proteīnu īpašības. Olb altumvielu fizikāli ķīmiskās īpašības: šķīdību, pH, makromolekulu lādiņu nosaka skābo un bāzisko aminoskābju attiecība.
Kādi faktori ietekmē peptīdu šķīdību
Noskaidrosim visus nepieciešamos kritērijus, no kuriem atkarīgi proteīna makromolekulu hidratācijas jeb šķīdināšanas procesi. Tie ir: telpiskā konfigurācija un molekulmasa, ko nosaka aminoskābju atlikumu skaits. Tiek ņemta vērā arī polāro un nepolāro daļu attiecība - radikāļi, kas atrodas uz proteīna virsmas terciārajā struktūrā, un polipeptīda makromolekulas kopējais lādiņš. Visas iepriekš minētās īpašības tieši ietekmē proteīna šķīdību. Apskatīsim tos tuvāk.
Globulīši un to spēja mitrināt
Ja peptīda ārējai struktūrai ir sfēriska forma, tad ir ierasts runāt par tā lodveida struktūru. To stabilizē ūdeņraža un hidrofobās saites, kā arī pretēji lādētu makromolekulas daļu elektrostatiskās pievilkšanās spēki. Piemēram, hemoglobīns, kas caur asinīm pārnēsā skābekļa molekulas, savā kvartārajā formā sastāv no četriem mioglobīna fragmentiem, kurus apvieno hēms. Asins proteīni, piemēram, albumīni, α- un ϒ-globulīni, viegli mijiedarbojas ar asins plazmas vielām. Insulīns ir vēl viens lodveida peptīds, kas regulē glikozes līmeni asinīs zīdītājiem un cilvēkiem. Šādu peptīdu kompleksu hidrofobās daļas atrodas kompaktās struktūras vidū, bet hidrofilās daļas atrodas uz tās virsmas. Tas nodrošina to dabisko īpašību saglabāšanu ķermeņa šķidrajā vidē un apvieno tos ūdenī šķīstošo olb altumvielu grupā. Izņēmums ir lodveida proteīni, kas veido cilvēka un dzīvnieku šūnu membrānu mozaīkas struktūru. Tie ir saistīti ar glikolipīdiem un nešķīst starpšūnu šķidrumā, kas nodrošina to barjeras lomu šūnā.
Fibrilāri peptīdi
Kolagēnam un elastīnam, kas ir daļa no dermas un nosaka tās tvirtumu un elastību, ir pavedienveida struktūra. Viņi spēj izstiepties, mainot savu telpisko konfigurāciju. Fibroīns ir dabisks zīda proteīns, ko ražo zīdtārpiņu kāpuri. Tas satur īsas strukturālas šķiedras, kas sastāv no aminoskābēm ar mazu masu un molekulas garumu. Tie, pirmkārt, ir serīns, alanīns un glicīns. Viņapolipeptīdu ķēdes ir orientētas telpā vertikālā un horizontālā virzienā. Viela pieder strukturālajiem polipeptīdiem un tai ir slāņaina forma. Atšķirībā no lodveida polipeptīdiem, proteīna, kas sastāv no fibrilām, šķīdība ir ļoti zema, jo tā aminoskābju hidrofobie radikāļi atrodas uz makromolekulas virsmas un atgrūž polārās šķīdinātāja daļiņas.
Keratīni un to struktūras īpatnības
Ņemot vērā fibrilāras formas strukturālo proteīnu grupu, piemēram, fibroīnu un kolagēnu, ir jāpakavē vēl pie vienas dabā plaši izplatītas peptīdu grupas - keratīniem. Tie kalpo par pamatu tādām cilvēka un dzīvnieka ķermeņa daļām kā mati, nagi, spalvas, vilna, nagi un nagi. Kas ir keratīns pēc tā bioķīmiskās struktūras? Ir konstatēts, ka ir divu veidu peptīdi. Pirmajam ir spirālveida sekundārās struktūras forma (α-keratīns) un tas ir matu pamats. Otru attēlo stingrākas slāņainas fibrillas - tas ir β-keratīns. To var atrast dzīvnieku cietajās ķermeņa daļās: nagos, putnu knābēs, rāpuļu zvīņos, plēsīgo zīdītāju un putnu nagos. Kas ir keratīns, pamatojoties uz faktu, ka tā aminoskābes, piemēram, valīns, fenilalanīns, izoleicīns, satur lielu skaitu hidrofobu radikāļu? Tas ir ūdenī un citos polāros šķīdinātājos nešķīstošs proteīns, kas veic aizsargfunkcijas un strukturālas funkcijas.
Barotnes pH ietekme uz proteīna polimēra lādiņu
Agrāk mēs minējām, ka olb altumvielu funkcionālās grupasmonomēri - aminoskābes, nosaka to īpašības. Tagad mēs piebilstam, ka no tiem ir atkarīgs arī polimēra lādiņš. Jonu radikāļi – glutamīnskābes un asparagīnskābes karboksilgrupas un arginīna un histidīna aminogrupas – ietekmē kopējo polimēra lādiņu. Arī skābos, neitrālos vai sārmainos šķīdumos tie uzvedas atšķirīgi. No šiem faktoriem ir atkarīga arī proteīna šķīdība. Tātad pie pH <7 šķīdums satur pārmērīgu ūdeņraža protonu koncentrāciju, kas kavē karboksilgrupas sadalīšanos, tāpēc palielinās proteīna molekulas kopējais pozitīvais lādiņš.
Katjonu uzkrāšanās olb altumvielās palielinās arī neitrālas šķīduma vides gadījumā un ar arginīna, histidīna un lizīna monomēru pārpalikumu. Sārmainā vidē palielinās polipeptīda molekulas negatīvais lādiņš, jo ūdeņraža jonu pārpalikums tiek iztērēts ūdens molekulu veidošanai, saistot hidroksilgrupas.
Faktori, kas nosaka olb altumvielu šķīdību
Iedomāsimies situāciju, kurā pozitīvo un negatīvo lādiņu skaits uz proteīna spirāles ir vienāds. Vides pH šajā gadījumā sauc par izoelektrisko punktu. Peptīda makromolekulas kopējais lādiņš kļūst par nulli, un tā šķīdība ūdenī vai citā polārā šķīdinātājā būs minimāla. Elektrolītiskās disociācijas teorijas nosacījumi nosaka, ka vielas šķīdība polārā šķīdinātājā, kas sastāv no dipoliem, būs lielāka, jo polarizētākas būs izšķīdinātā savienojuma daļiņas. Viņi arī izskaidro faktorus, kas nosaka šķīdībuolb altumvielas: to izoelektriskais punkts un peptīda hidratācijas vai solvatācijas atkarība no tā makromolekulas kopējā lādiņa. Lielākā daļa šīs klases polimēru satur pārmērīgu -COO- grupu, un tiem ir nedaudz skābas īpašības. Izņēmums būs iepriekš minētie membrānas proteīni un peptīdi, kas ir daļa no iedzimtības kodolvielas - hromatīna. Pēdējos sauc par histoniem, un tiem ir izteiktas pamata īpašības, jo polimēra ķēdē ir liels skaits aminogrupu.
Olb altumvielu uzvedība elektriskajā laukā
Praktiskiem nolūkiem bieži rodas nepieciešamība atdalīt, piemēram, asins proteīnus frakcijās vai atsevišķās makromolekulās. Lai to izdarītu, varat izmantot lādētu polimēru molekulu spēju ar noteiktu ātrumu pārvietoties uz elektrodiem elektriskā laukā. Šķīdumu, kas satur dažādas masas un lādiņa peptīdus, novieto uz nesēja: papīra vai speciāla želeja. Nododot elektriskos impulsus, piemēram, caur daļu asins plazmas, tiek iegūtas līdz 18 atsevišķu olb altumvielu frakcijām. Tostarp: visa veida globulīni, kā arī proteīna albumīns, kas ir ne tikai vissvarīgākā sastāvdaļa (satur līdz 60% no asins plazmas peptīdu masas), bet arī spēlē galveno lomu osmozes procesos. un asinsriti.
Kā sāls koncentrācija ietekmē olb altumvielu šķīdību
Peptīdu spēja veidot ne tikai želejas, putas un emulsijas, bet arī šķīdumus ir svarīga īpašība, kas atspoguļo to fizikāli ķīmiskās īpašības. Piemēram, iepriekš pētītalabības sēklu endospermā, pienā un asins serumā atrodamie albumīni ātri veido ūdens šķīdumus ar neitrālu sāļu, piemēram, nātrija hlorīda, koncentrāciju robežās no 3 līdz 10 procentiem. Izmantojot šo pašu albumīnu piemēru, var noskaidrot olb altumvielu šķīdības atkarību no sāls koncentrācijas. Tie labi šķīst nepiesātinātā amonija sulfāta šķīdumā, un pārsātinātā šķīdumā tie izgulsnējas atgriezeniski un, vēl vairāk samazinot sāls koncentrāciju, pievienojot daļu ūdens, atjauno to hidratācijas apvalku.
Izsālīšana
Iepriekš aprakstītās peptīdu ķīmiskās reakcijas ar stipru skābju un sārmu veidotu sāļu šķīdumiem sauc par izsālīšanu. Tā pamatā ir proteīna uzlādēto funkcionālo grupu mijiedarbības mehānisms ar sāls joniem - metālu katjoniem un skābes atlikumu anjoniem. Tas beidzas ar peptīda molekulas lādiņa zudumu, tās ūdens apvalka samazināšanos un olb altumvielu daļiņu adhēziju. Rezultātā tie izgulsnējas, par ko mēs runāsim vēlāk.
Nokrišņi un denaturācija
Acetons un etilspirts iznīcina ūdens apvalku, kas ieskauj proteīnu terciārajā struktūrā. Tomēr tas netiek papildināts ar kopējā lādiņa neitralizāciju. Šo procesu sauc par nokrišņiem, proteīna šķīdība ir krasi samazināta, bet nebeidzas ar denaturāciju.
Peptīdu molekulas to sākotnējā stāvoklī ir ļoti jutīgas pret daudziem vides parametriem, piemēram, pretķīmisko savienojumu temperatūra un koncentrācija: sāļi, skābes vai sārmi. Abu šo faktoru darbības stiprināšana izoelektriskajā punktā noved pie pilnīgas stabilizējošo intramolekulāro (disulfīdu tiltu, peptīdu saites), kovalento un ūdeņraža saišu iznīcināšanas polipeptīdā. Īpaši ātri šādos apstākļos lodveida peptīdi denaturējas, vienlaikus pilnībā zaudējot savas fizikāli ķīmiskās un bioloģiskās īpašības.
