Artikkelimme on omistettu sellaisten aineiden ominaisuuksien tutkimukselle, jotka ovat perustana maapallon elämän ilmiölle. Proteiinimolekyylit ovat läsnä ei-sellulaarisissa muodoissa - viruksissa, ovat osa prokaryoottisten ja tumasolujen sytoplasmaa ja organelleja. Yhdessä nukleiinihappojen kanssa ne muodostavat perinnöllisyyden aineen - kromatiinin ja muodostavat ytimen - kromosomien - pääkomponentit. Signalointi, rakentaminen, katalyyttinen, suojaava, energia - tämä on luettelo proteiinien suorittamista biologisista toiminnoista. Proteiinien fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ovat niiden kyky liueta, saostua ja suolautua pois. Lisäksi ne pystyvät denaturoitumaan ja ovat kemialliselta luonteeltaan amfoteerisia yhdisteitä. Tutkitaan näitä proteiinien ominaisuuksia tarkemmin.
Proteiinimonomeerityypit
20 erilaista α-aminohappoa ovat proteiinin rakenneyksiköitä. Hiilivetyradikaalin lisäksi ne sisältävät NH2- aminoryhmän ja COOH-karboksyyliryhmä. Funktionaaliset ryhmät määrittävät proteiinimonomeerien happamat ja emäksiset ominaisuudet. Siksi orgaanisessa kemiassa tämän luokan yhdisteitä kutsutaan amfoteerisiksi aineiksi. Molekyylin sisällä olevan karboksyyliryhmän vetyionit voidaan hajottaa ja sitoutua aminoryhmiin. Tuloksena on sisäinen suola. Jos molekyylissä on useita karboksyyliryhmiä, yhdiste on hapan, kuten glutamiini- tai asparagiinihappo. Jos aminoryhmät hallitsevat, aminohapot ovat emäksisiä (histidiini, lysiini, arginiini). Kun funktionaalisia ryhmiä on yhtä monta, peptidiliuoksella on neutraali reaktio. On todettu, että kaikkien kolmen tyyppisten aminohappojen läsnäolo vaikuttaa siihen, mitä ominaisuuksia proteiineilla on. Proteiinien fysikaalis-kemialliset ominaisuudet: liukoisuus, pH, makromolekyylivaraus määräytyvät happamien ja emäksisten aminohappojen suhteen.
Mitkä tekijät vaikuttavat peptidien liukoisuuteen
Otetaan selville kaikki tarvittavat kriteerit, joista proteiinien makromolekyylien hydraatio- tai solvataatioprosessit riippuvat. Nämä ovat: spatiaalinen konfiguraatio ja molekyylipaino, joka määräytyy aminohappotähteiden lukumäärän perusteella. Se ottaa huomioon myös polaaristen ja ei-polaaristen osien - tertiäärisen rakenteen proteiinin pinnalla olevien radikaalien - suhteen ja polypeptidimakromolekyylin kokonaisvarauksen. Kaikki edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat suoraan proteiinin liukoisuuteen. Katsotaanpa niitä tarkemmin.
Globulit ja niiden kyky kosteuttaa
Jos peptidin ulkoinen rakenne on pallomainen, on tapana puhua sen pallomaisesta rakenteesta. Sitä stabiloivat vety- ja hydrofobiset sidokset sekä makromolekyylin vastakkaisesti varautuneiden osien sähköstaattiset vetovoimat. Esimerkiksi hemoglobiini, joka kuljettaa happimolekyylejä veren läpi, koostuu kvaternaarisessa muodossaan neljästä myoglobiinifragmentista, joita yhdistää hemi. Veren proteiinit, kuten albumiinit, α- ja ϒ-globuliinit, ovat helposti vuorovaikutuksessa veriplasman aineiden kanssa. Insuliini on toinen pallomainen peptidi, joka säätelee veren glukoositasoja nisäkkäillä ja ihmisillä. Tällaisten peptidikompleksien hydrofobiset osat sijaitsevat kompaktin rakenteen keskellä, kun taas hydrofiiliset osat sijaitsevat sen pinnalla. Tämä tarjoaa niille alkuperäisten ominaisuuksien säilymisen kehon nestemäisessä väliaineessa ja yhdistää ne vesiliukoisten proteiinien ryhmään. Poikkeuksena ovat pallomaiset proteiinit, jotka muodostavat ihmisen ja eläimen solujen kalvojen mosaiikkirakenteen. Ne liittyvät glykolipideihin ja ovat liukenemattomia solujen väliseen nesteeseen, mikä varmistaa niiden estetehtävän solussa.
Fibrillaariset peptidit
Kollageenilla ja elastiinilla, jotka ovat osa verinahkaa ja jotka määrittävät sen kiinteyden ja elastisuuden, on filamenttirakenne. He pystyvät venymään, muuttaen tilakokoonpanoaan. Fibroiini on luonnollinen silkkiproteiini, jota silkkiäistoukkien toukat tuottavat. Se sisältää lyhyitä rakennekuituja, jotka koostuvat aminohapoista, joilla on pieni massa ja molekyylipituus. Näitä ovat ensinnäkin seriini, alaniini ja glysiini. Hänenpolypeptidiketjut ovat orientoituneet avaruudessa pysty- ja vaakasuunnassa. Aine kuuluu rakenteellisiin polypeptideihin ja sillä on kerrosmainen muoto. Toisin kuin pallomaiset polypeptidit, fibrilleistä koostuvan proteiinin liukoisuus on hyvin alhainen, koska sen aminohappojen hydrofobiset radikaalit sijaitsevat makromolekyylin pinnalla ja hylkivät polaarisia liuotinhiukkasia.
Keratiinit ja niiden rakenteen ominaisuudet
Ottaen huomioon fibrillaarisen muodon rakenneproteiinien ryhmän, kuten fibroiinin ja kollageenin, on tarpeen keskittyä vielä yhteen luonnossa laaj alti levinneen peptidien ryhmään - keratiineihin. Ne toimivat perustana sellaisille ihmisen ja eläimen kehon osille, kuten hiukset, kynnet, höyhenet, villa, kaviot ja kynnet. Mikä on keratiini biokemiallisen rakenteensa suhteen? On osoitettu, että on olemassa kahdenlaisia peptidejä. Ensimmäisellä on spiraalisen sekundaarirakenteen muotoinen (α-keratiini) ja se on hiusten perusta. Toista edustavat jäykemmät kerrostetut fibrillit - tämä on β-keratiini. Sitä löytyy eläinten kehon kovista osista: kavioista, lintujen nokista, matelijoiden suomuista, petollisten nisäkkäiden ja lintujen kynsistä. Mikä on keratiini, joka perustuu siihen, että sen aminohapot, kuten valiini, fenyylialaniini, isoleusiini, sisältävät suuren määrän hydrofobisia radikaaleja? Se on veteen ja muihin polaarisiin liuottimiin liukenematon proteiini, joka suorittaa suojaavia ja rakenteellisia tehtäviä.
Väliaineen pH:n vaikutus proteiinipolymeerin varaukseen
Aiemmin mainitsimme, että proteiinin toiminnalliset ryhmätmonomeerit - aminohapot, määrittävät niiden ominaisuudet. Lisätään nyt, että polymeerin varaus riippuu myös niistä. Ioniradikaalit - glutamiini- ja asparagiinihappojen karboksyyliryhmät sekä arginiinin ja histidiinin aminoryhmät - vaikuttavat polymeerin kokonaisvaraukseen. Ne käyttäytyvät myös eri tavalla happamissa, neutraaleissa tai emäksisissä liuoksissa. Proteiinin liukoisuus riippuu myös näistä tekijöistä. Joten pH:ssa <7 liuos sisältää ylimäärän vetyprotoneja, jotka estävät karboksyylin hajoamista, joten proteiinimolekyylin positiivinen kokonaisvaraus kasvaa.
Kationien kerääntyminen proteiiniin lisääntyy myös neutraalissa liuoselatusaineessa ja arginiini-, histidiini- ja lysiinimonomeerien ylimäärässä. Alkalisessa ympäristössä polypeptidimolekyylin negatiivinen varaus kasvaa, koska ylimäärä vetyioneja kuluu vesimolekyylien muodostukseen hydroksyyliryhmiä sitomalla.
Tekijät, jotka määräävät proteiinien liukoisuuden
Kuvitellaan tilannetta, jossa proteiinikierteen positiivisten ja negatiivisten varausten määrä on sama. Väliaineen pH:ta kutsutaan tässä tapauksessa isoelektriseksi pisteeksi. Itse peptidimakromolekyylin kokonaisvarauksesta tulee nolla, ja sen liukoisuus veteen tai muuhun polaariseen liuottimeen on minimaalinen. Elektrolyyttisen dissosiaation teorian säännökset väittävät, että aineen liukoisuus dipoleista koostuvaan polaariseen liuottimeen on sitä suurempi, mitä polarisoituneempia liuenneen yhdisteen hiukkaset ovat. Ne myös selittävät liukoisuuden määräävät tekijätproteiinit: niiden isoelektrinen piste ja peptidin hydraation tai solvataation riippuvuus sen makromolekyylin kokonaisvarauksesta. Useimmat tämän luokan polymeerit sisältävät ylimäärän -COO--ryhmiä ja niillä on hieman happamia ominaisuuksia. Poikkeuksen muodostavat aiemmin mainitut kalvoproteiinit ja peptidit, jotka ovat osa perinnöllisyyden ydinainetta - kromatiinia. Jälkimmäisiä kutsutaan histoneiksi, ja niillä on selvät perusominaisuudet, koska polymeeriketjussa on suuri määrä aminoryhmiä.
Proteiinien käyttäytyminen sähkökentässä
Käytännön syistä on usein tarpeen erottaa esimerkiksi veren proteiinit fraktioiksi tai yksittäisiksi makromolekyyleiksi. Tätä varten voit käyttää varautuneiden polymeerimolekyylien kykyä liikkua tietyllä nopeudella elektrodeihin sähkökentässä. Liuos, joka sisältää eri massaisia ja -varaisia peptidejä, asetetaan kantoaineelle: paperille tai erikoisgeelille. Ohjaamalla sähköimpulsseja esimerkiksi osan veriplasmasta läpi saadaan jopa 18 fraktiota yksittäisiä proteiineja. Niistä: kaikentyyppiset globuliinit sekä proteiinialbumiini, joka ei ole vain tärkein komponentti (se muodostaa jopa 60% veriplasman peptidien massasta), vaan sillä on myös keskeinen rooli osmoosiprosesseissa ja verenkiertoa.
Kuinka suolapitoisuus vaikuttaa proteiinien liukoisuuteen
Peptidien kyky muodostaa geelejä, vaahtoja ja emulsioita, mutta myös liuoksia, on tärkeä ominaisuus, joka kuvastaa niiden fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia. Esimerkiksi aiemmin tutkittuviljan siementen endospermissa, maidossa ja veriseerumissa olevat albumiinit muodostavat nopeasti vesiliuoksia, joiden neutraalien suolojen, kuten natriumkloridin, pitoisuus on 3-10 prosenttia. Samojen albumiinien esimerkillä voidaan selvittää proteiinien liukoisuuden riippuvuus suolapitoisuudesta. Ne liukenevat hyvin tyydyttymättömään ammoniumsulfaattiliuokseen, ja ylikyllästetyssä liuoksessa ne saostuvat palautuvasti ja vähentävät edelleen suolapitoisuutta lisäämällä annoksen vettä palauttavat hydraatiokuorensa.
Suolaus
Edellä kuvattuja peptidien kemiallisia reaktioita vahvojen happojen ja alkalien muodostamien suolojen liuosten kanssa kutsutaan ulossuolaamiseksi. Se perustuu proteiinin varautuneiden funktionaalisten ryhmien vuorovaikutusmekanismiin suola-ionien - metallikationien ja happotähteiden anionien kanssa. Se päättyy peptidimolekyylin varauksen menettämiseen, sen vesikuoren vähenemiseen ja proteiinihiukkasten kiinnittymiseen. Tämän seurauksena ne saostuvat, mistä keskustelemme myöhemmin.
Saostuminen ja denaturaatio
Asetoni ja etyylialkoholi tuhoavat proteiinia ympäröivän vesikuoren tertiäärisessä rakenteessa. Tähän ei kuitenkaan liity sen kokonaisvarauksen neutraloitumista. Tätä prosessia kutsutaan saostukseksi, proteiinin liukoisuus vähenee jyrkästi, mutta ei pääty denaturaatioon.
Peptidimolekyylit luontaisessa tilassaan ovat erittäin herkkiä monille ympäristöparametreille, esim.lämpötila ja kemiallisten yhdisteiden pitoisuus: suolat, hapot tai emäkset. Molempien näiden tekijöiden toiminnan vahvistaminen isoelektrisessä pisteessä johtaa polypeptidin stabiloivien molekyylinsisäisten (disulfidisillat, peptidisidokset), kovalenttisten ja vetysidosten täydelliseen tuhoutumiseen. Erityisen nopeasti tällaisissa olosuhteissa pallomaiset peptidit denaturoituvat menettäen samalla täysin fysikaalis-kemialliset ja biologiset ominaisuutensa.
