Чем определяются амфотерные свойства белков

Чем определяются амфотерные свойства белков

При изучении химического состава белка было установлено, что в его молекуле имеются свободные аминные (NH₂) и карбоксильные (СООН) группы, которые в растворе находятся в виде NH₃ и СООН. Следовательно, белки в растворе обладают амфотерными свойствами (амфолит, амфион). При пропускании электрического тока белки будут передвигаться в зависимости от заряда белковой молекулы к катоду или аноду (рис. 10).

В щелочных растворах белок играет роль аниона: например, при действии едкого натра происходит потеря Н + из NH + ₃:

В кислых растворах, наоборот, белок играет роль катиона, как в случае с соляной кислотой:

Однако при определенных значениях рН число положительных зарядов белка будет равно числу отрицательных и заряд молекулы в целом будет практически равен нулю. Белковая молекула не будет перемещаться в электрическом поле. При этих условиях белок находится в изоэлектрическом состоянии; рН раствора, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой. Изоэлектрическая точка большинства природных белков лежит в слабокислой среде (рН 4,8-5,4). Молекула таких белков содержит больше карбоксильных групп, чем аминных. Это свидетельствует о том, что в их составе содержится больше дикарбоновых аминокислот (см. Аминокислоты). В изоэлектрической точке белок находится в наименее устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН среды в кислую или щелочную сторону он легко выпадает в осадок.

Амфотерность белков лежит в основе белковой буферной системы, которая участвует в поддержании определенной реакции среды крови. Амфотерные свойства белков используются для разделения их на отдельные фракции (метод электрофореза) с целью диагностики различных заболеваний и контроля за состоянием больного.

Источник

Амфотерность белков.

Амфотерность белков (наличие у молекул как кислотных, так и оснόвных свойств) обусловлена присутствием в их молекулах свободных карбоксильных групп (кислотные группы) и аминогрупп (оснόвные группы). Эти группы входят в состав радикалов аминокислот и, как было выше указано, не участвуют в образовании пептидных связей. Проявление белками кислотных или осноόвных свойств зависит от кислотности среды.

NH₂ NH₃ +

NH₂ COOH NH₃ + COOH

Таким образом, белки в кислой среде проявляют оснóвные (щелочные) и находятся в катионной форме (их молекулы заряжены положительно).

NH₂ NH₂

Поэтому в щелочной среде белки обладают кислотными свойствами и находятся в анионной форме (их молекулы заряжены отрицательно).

NH₃ +

Значение рН, при котором молекулы белка нейтральны, называется изоэлектрической точкой белка и обозначается рI или рН_иэт.. Для каждого белка изоэлектрическая точка имеет строго определенную величину. Значение рI зависит от соотношения в молекуле белка между аминокислотами, содержащими в радикале карбоксильную группу (моноаминодикарбоновые кислоты), и аминокислотами, содержащими в радикале аминогруппу (диаминомонокарбоновые кислоты). Если в белке преобладают аминокислоты с дополнительной карбоксильной группой, то значение изоэлектрической точки находится в кислой среде (рI

Дата добавления: 2015-03-11 ; просмотров: 13515 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Амфотерные свойства белков

Мая. Химия

Качественные реакции белков: биуретовая и ксантопротеиновая реакции.

Гидролиз белков. Денатурация белков.

Вспомним то, что мы уже знаем о белках из прошлых уроков химии и уроков биологии.

Первичная структура белковой молекулы играет чрезвычайно важную роль. Изменение только одной аминокислоты на другую может привести либо к гибели всего организма, либо к появлению совершенно нового вида. Замена одного остатка аминокислоты глутамина на валин в молекуле гемоглобина (содержащего 574 аминокислотные группы!) вызывает тяжелейшее заболевание — анемию, приводящую к смертельному исходу.

Полипептидные цепочки с определенной вторичной структурой могут быть по-разному расположены в пространстве. Это пространственное расположение спирали или структуры в пространстве. получило название третичной структуры.

По характеру «упаковки» белковой молекулы различают глобулярные, или шаровидные, и фибриллярные, или нитевидные, белки.

Для глобулярных белков более характерна спиральная структура, спирали изогнуты, «свернуты». Макромолекула имеет сферическую форму. Они растворяются в воде и солевых растворах с образованием коллоидных систем. Большинство белков животных, растений и микроорганизмов относится к глобулярным белкам.

Для фибриллярных белков более характерна нитевидная структура. Они, как правило, не растворяются в воде. Фибриллярные белки обычно выполняют структурообразующие функции. Их свойства (прочность, способность растягиваться) зависят от способа упаковки полипептидных цепочек. Примером фибриллярных белков служат белки мускульной ткани (миозин), кератин (роговая ткань).

В некоторых случаях отдельные субъединицы белка с помощью водородных связей, электростатического и других взаимодействий образуют более сложные структуры.

Биологическая активность белков определяется третичной и четвертичной структурами.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства белков определяются тем, к какому классу они относятся. Молекулы фибриллярных белков вытянуты в длину, нитеобразны и склонны группироваться одна возле другой с образованием волокон. Это основной строительный материал тканей: сухожилий, мускульных и покровных тканей. Такие белки в воде нерастворимы. Прочность белковых молекул просто поразительна! Человеческий волос прочнее меди и может соперничать со специальными видами стали. Пучок волос площадью 1 см 2 выдерживает вес в 5 тонн, а на женской косе в 200 тыс. волосинок можно поднять груженый КамАЗ весом 20 т.

Глобулярные белки свернуты в клубочки. В организме они выполняют ряд биологических функций, требующих их подвижности и, следовательно, растворимости. Поэтому глобулярные белки растворимы в воде либо растворах солей, кислот или оснований. Из-за большого размера молекул образующиеся растворы являются коллоидными.

ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ.

КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ (цветные)

Амфотерные свойства белков

Так, при действии щелочей белок реагирует в форме аниона – соединяется с катионом щелочи:

При действии же кислот он выступает в форме катиона:

Если в молекуле белка преобладают карбоксильные группы, то он проявляет свойства кислот, если же преобладают аминогруппы, — свойства оснований.

Очень важным для жизнедеятельности живых организмов является буферное свойство белков, т.е. способность связывать как кислоты, так и основания, и поддерживать постоянное значение рН различных систем живого организма.

Белки обладают и специфическими физико-химическими свойствами.

Источник

Амфотерные свойства белков

Природные белки в зависимости от состава аминокис­лот могут иметь кислый или основной характер. В кислых белках преобладают моноаминодикарбоновьге кислоты (Асп и Глу). Молекула такого белка в растворе заряжена отрица­тельно:

Большинство белков относится к кислым, например аль­бумины, глобулины, казеин, пепсин и др.

В молекулах белков основного характера преобладают ди-аминомонокарбоновые кислоты (Лиз, Арг, Гис). В растворе основные белки несут положительный заряд:

Среди этих белков — папаин, трипсин, лизоцим и др.

Суммарный заряд белковой молекулы, естественно, за­висит от рН среды: в кислой среде он положителен, в щелоч­ной — отрицателен. Распределение заряда на поверхности мо­лекулы неравномерно, различные участки ее могут иметь противоположные заряды, стабилизированные диполями воды. Сдвиг рН среды приводит к изменению характера диссоциа­ции группировок аминокислот, перераспределению зарядов на поверхности молекулы, что является причиной измене­ния пространственной структуры белка, следовательно, его биологической активности.

Наличие большого числа точек диссоциации определяет способность белка взаимодействовать с ионами металлов и другими заряженными макромолекулами, что очень важно для функционирования белков. Изменяя рН среды, можно влиять на константу диссоциации белковой молекулы как кислоты и как основания.

Изоэлектрическая точка является характерной константой белка и зависит от аминокислотного состава белковой молекулы. Чем выше соотношение кислые/основные амино-кислоты в белке, тем ниже его рН. Для большинства внутриклеточных белков рН находится в области рН от 5,5 до 7,0, что свидетельствует об отрицательном заряде цитоплазмы в ценим. Избыток отрицательных зарядов внутри клетки урав-пшичмивается неорганическими катионами.

Значение изоэлектрической точки очень важно для по­нимания стабильности белков в растворах, так как в ней бел­ьм нгледствие электронейтральности наименее устойчивы. Незаряженные частицы белка могут слипаться друг с другом и выпадать в осадок.

Растворимость белков

Белки — гидрофильные вещества, хорошо растворимые в воде. Под гидратацией понимают связывание диполей воды с ионными и полярными группами. Ионными группами в белках, несущими заряд, являются все —МН₂— и — СООН-группы. В диссоциированном состоянии они притягивают молекулы воды за счет ион-диполъных взаимодействий. Не­ионные (незаряженные) полярные боковые группировки аминокислот (—ОН, — NН, —СО) образуют с водой слабые водородные связи. Вода, связанная ионными группами, очень прочно соединена с макромолекулой белка, отделить ее уда­ется с большим трудом. Молекулы воды, связанные с неион­ными группировками, белком удерживаются менее прочно. Стабильность растворам белков придают заряд белковой молекулы и гидратная оболочка, Каждая молекула белка име­ет суммарный заряд одного знака, что препятствует агрега­ции молекул. Поэтому все факторы, способствующие сохра­нению заряда и гидратной оболочки, облегчают растворимость белка и его устойчивость в растворе. Чем больше полярных аминокислот в белке, тем больше молекул воды связывается. Гидратная вода может составлять до 1/5 массы белка.

Растворимость белков в воде возрастает при небольших концентрациях нейтральных солей. Это объясняется следую­щим: ионы солей, взаимодействуя с противоположными за­рядами в белке, экранируют заряженные группы белковых молекул и тем самым уменьшают белковое взаимодействие. Повышение концентрации нейтральных солей (увеличе­ние ионной силы раствора) оказывает обратное действие. Процесс осаждения белков нейтральными солями называет­ся высаливанием. При больших концентрациях ионов в растворе они оттягивают молекулы воды от полярных групп белка на себя. При этом гидратная оболочка белковой молекулы час­тично снимается, т. е нарушается один из факторов устойчи­вости белка в растворе. Возможно, одновременно происходит нейтрализация зарядов белка ионами солей, что приводит к изменению второго фактора устойчивости (изменению заря­да белка в целом), а следовательно, осаждению белка из ра­створа. Характерной особенностью белков, полученных при высаливании, является сохранение ими своих природных свойств и функций после удаления соли.

Растворимость белков зависит и от растворителя: его рН, состава и температуры. Добавление к белковому раствору сме­шивающихся с водой органических растворителей (этанола, ацетона и др.) уменьшает растворимость белков. При высоких концентрациях растворителей наблюдается выпадение белка в осадок (в связи с уменьшением степени гидратации белка). В растворах белки обладают коллоидными свойствами: они медленно диффундируют, не способны проникать через по­лупроницаемые мембраны, рассеивают свет, характеризуют­ся высокой вязкостью.

Образование коллоидных растворов белками обусловли­вает многие физико-химические явления, наблюдающиеся II биологических жидкостях и организмах в целом. При опре­деленных условиях все коллоидные растворы могут терять текучесть и образовывать гели (студни). Они возникают в ре­зультате объединения молекул в виде сетки, внутреннее про­странство которой заполнено большим количеством раст-иорителя, но при этом разделения на жидкую и твердую фазы не происходит, как в случае коагуляции. В клетках жи­вых организмов белки находятся не только в виде раство­ров, но и гелей (в протоплазме, хрусталике глаза, соедини­тельных тканях и др.). Гелеобразованию легче подвергаются фибриллярные белки. Так, пищевые студни готовят из про­дуктов, содержащим в большом количестве фибриллярные белки (кости, хрящи, мясо). Под действием ферментов мик­роорганизмов белковый раствор — молоко может перехо­дить в гель с образованием кефира, простокваши.

Белковые гели имеют важное физиологическое значение к жизнедеятельности организма. Например, коллагеновые белки костей, сухожилий, кожи и т. п. обладают высокой проч­ностью, эластичностью и упругостью, так как находятся в гелеобразном состоянии. Отложение минеральных солей при старении снижает их упругость и эластичность, что приводит к ряду заболеваний.

Одним из свойств гелей является их способность к набуха­нию — увеличению объема за счет связывания большого ко­личества воды. Такой процесс наблюдается при прорастании семян, при замачивании крупы, при изготовлении теста и т. д. Явление обратное набуханию (отделение воды от геля) называется синерезисом. Оно протекает, например, при дли-имп.пом хранении кефира.

Благодаря наличию гидрофильных и гидрофобных групп пгнки могут влиять на растворимость других веществ, высту-м.чи и роли эмульгаторов. Известно, что эмульгаторами явля-мнгн иещества, стабилизирующие эмульсии типа «вода — лито». В организме человека в эмульгированном состоянии млчодятся жиры в крови и лимфе. Белок образует на поверхности капелек жира (за счет гидрофобных взаимодействий) тонкую пленку, которая притягивает воду (за счет полярных групп) и препятствует слипанию жировых частиц. Казеин молока можно рассматривать как эмульгатор, стабилизирующий природную эмульсию — молоко.

Денатурация белков

Под действием различных факторов нативная простран­ственная структура белковой молекулы может нарушаться: разрушаются четвертичная, третичная и вторичная структу­ры (изменения не затрагивают первичную структуру). Это явление называется денатурацией. Денатурация белка приво­дит к уменьшению или полной потере растворимости, утра­те специфической биологической активности, изменению оп­тических свойств и вязкости и др. При денатурации разрываются связи, стабилизирующие структуру белковой мо­лекулы: ионные, водородные и дисульфидные, нарушается гидрофобное взаимодействие. ГТолипептидная цепь раскручи­вается и находится в растворе в развернутом состоянии или в виде беспорядочного клубка. Степень денатурации белка мо­жет быть различной в зависимости от его физико-химичес­ких свойств, природы денатурирующего агента и времени его действия. Схематично процессы денатурации изображены на рисунке 11. Отметим, что для некоторых белков денатурация обратима (белки мышц). При этом и нативная конформация и биологическая активность белка могут быть восстановлены. Денатурирующие факторы можно разделить на физичес­кие и химические. К физическим агентам относится темпера­тура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучение. Наиболее общим фактором явля­ется нагревание. Тепловая денатурация белков — один из ха­рактерных их признаков. Усиление теплового движения ато­мов полипептидной цепи приводит к разрыву слабых нековалентных связей. Скорость тепловой денатурации суще­ственно зависит от рН среды, ионной силы раствора. Тепло­вая денатурация сопровождается агрегацией белков, выпаде­нием их в осадок. Наиболее полное и быстрое осаждение происходит в изоэлектрической точке.

Белки денатурируют при растирании сухих препаратов, энергичном встряхивании растворов, взбивании и т. д. При лиофилизации белков (высушивание в вакууме путем воз­гонки влаги из замороженного состояния) большинство их не денатурирует, что позволяет использовать этот способ суш­ки для длительного хранения белковых препаратов.

К химическим факторам, вызывающим денатурацию, отно­сятся кислоты, щелочи, органические растворители, поверхно­стно-активные вещества, алкалоиды, тяжелые металлы и т. п.

Денатурация белков играет существенную роль в жизнен­ных процессах. По мере старения организма происходит посте­пенная дена!урация белков и снижение их гидрофильности. Так, при старении семян денатурация белков приводит к потере их способности к прорастанию. Происходящее при денатурации превращение компактной молекулы в беспорядочный клубок облегчает доступ протеолитических ферментов к пептидным связям, которые они разрывают. Поэтому денатурированные белки легче расщепляются ферментами, чем нативные. Следо­вательно, денатурированные белки в желудочно-кишечном трак­те человека будут лучше перевариваться. Этому способствует термическая обработка продуктов, содержащих белки (мясо, рыба). В желудке человека вырабатывается соляная кислота, ко­торая, вызывая денатурацию белков, помогает расщеплению их ферментами и усвоению организмом.

Целый ряд технологических процессов получения пище­вых продуктов (выпечка хлеба и кондитерских изделий, суш­ка макарон, овощей, молока, яичного порошка, изготовле­ние консервов и т. д.) связан с частичной денатурацией белков, входящих в состав сырья.

Источник

Чем определяются амфотерные свойства белков

Соединения, которые подобно аминокислотам содержат в своей молекуле как основную, так и кислотную группы, называют амфотерными. Они существуют главным образом в виде ионов, у которых основная часть несет положительный заряд, а кислотная — отрицательный.

Это так называемые биполярные ионы, или цвиттерионы. Амфотерность объясняет способность аминокислот и белков перемещаться в электрическом поле, что используется, например, для их разделения методов электрофореза.

Заряд аминокислоты может изменяться под влиянием среды. Так, при подкислении раствора, с возрастанием концентрации ионов водорода, растет и положительный заряд аминокислоты, отрицательный же соответственно нейтрализуется.

Связи, встречающиеся в молекулах белков

Молекулы белков строятся из соединяющихся друг с другом аминокислот. Соединение происходит в результате образования так называемой пептидной связи. Возникшая белковая молекула затем свертывается и принимает свойственную ей форму благодаря образованию четырех других видов связей — ионных, дисульфидных, водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Знакомство с природой этих связей необходимо для понимания структуры и поведения белков.

Пептидная связь

Эта связь образуется в результате выделения молекул воды при взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой. Реакция, идущая с выделением воды, называется реакцией конденсации, а возникающая ковалентная азот-углеродная связь — пептидной связью.

Соединение, образующиеся в результате конденсации двух аминокислот, представляет собой дипептид. На одном конце его молекулы находится свободная аминогруппа, а на другом — свободная карбоксильная группа. Это позволяет ему присоединять к себе другие аминокислоты. Если таким образом соединяется много аминокислот, то образуется полипептид.

Источник