Meie artikkel on pühendatud ainete omaduste uurimisele, mis on Maal eksisteeriva nähtuse aluseks. Valgu molekulid esinevad mitterakulistes vormides - viirused, on osa prokarüootsete ja tuumarakkude tsütoplasmast ja organellidest. Koos nukleiinhapetega moodustavad nad pärilikkusainet - kromatiini ja moodustavad tuuma põhikomponendid - kromosoomid. Signaliseerimine, ehitamine, katalüütiline, kaitsev, energia – see on loetelu bioloogilistest funktsioonidest, mida valgud täidavad. Valkude füüsikalis-keemilised omadused seisnevad nende lahustumis-, sadestumis- ja väljasoolamisvõimes. Lisaks on need denatureerimisvõimelised ja on oma keemilise olemuse poolest amfoteersed ühendid. Uurime neid valkude omadusi lähem alt.
Valgu monomeeride tüübid
20 tüüpi α-aminohappeid on valgu struktuuriüksused. Lisaks süsivesinikradikaalile sisaldavad need NH2- aminorühma ja COOH-karboksüülrühm. Funktsionaalsed rühmad määravad valgu monomeeride happelised ja aluselised omadused. Seetõttu nimetatakse orgaanilises keemias selle klassi ühendeid amfoteerseteks aineteks. Molekulis oleva karboksüülrühma vesinikioone saab eraldada ja siduda aminorühmadega. Tulemuseks on sisemine sool. Kui molekulis on mitu karboksüülrühma, on ühend happeline, näiteks glutamiin- või asparagiinhape. Kui ülekaalus on aminorühmad, on aminohapped aluselised (histidiin, lüsiin, arginiin). Võrdse arvu funktsionaalrühmade korral on peptiidilahusel neutraalne reaktsioon. On kindlaks tehtud, et kõigi kolme tüüpi aminohapete olemasolu mõjutab valkude omadusi. Valkude füüsikalis-keemilised omadused: lahustuvus, pH, makromolekuli laeng määratakse happeliste ja aluseliste aminohapete vahekorraga.
Millised tegurid mõjutavad peptiidide lahustuvust
Selgitame välja kõik vajalikud kriteeriumid, millest sõltuvad valgu makromolekulide hüdratatsiooni või solvatatsiooni protsessid. Need on: ruumiline konfiguratsioon ja molekulmass, mis määratakse aminohappejääkide arvu järgi. Samuti võetakse arvesse polaarsete ja mittepolaarsete osade suhet - tertsiaarstruktuuris valgu pinnal paiknevad radikaalid ja polüpeptiidi makromolekuli kogulaeng. Kõik ül altoodud omadused mõjutavad otseselt valgu lahustuvust. Vaatame neid lähem alt.
Gloobulid ja nende hüdratatsioonivõime
Kui peptiidi välisstruktuur on sfäärilise kujuga, siis on tavaks rääkida tema kerakujulisest struktuurist. Seda stabiliseerivad vesinik- ja hüdrofoobsed sidemed, samuti makromolekuli vastupidiselt laetud osade elektrostaatilised külgetõmbejõud. Näiteks hemoglobiin, mis kannab hapnikumolekule läbi vere, koosneb kvaternaarsel kujul neljast müoglobiini fragmendist, mida ühendab heem. Verevalgud nagu albumiinid, α- ja ϒ-globuliinid interakteeruvad kergesti vereplasma ainetega. Insuliin on veel üks globulaarne peptiid, mis reguleerib veresuhkru taset imetajatel ja inimestel. Selliste peptiidkomplekside hüdrofoobsed osad asuvad kompaktse struktuuri keskel, hüdrofiilsed osad aga selle pinnal. See tagab neile loomulike omaduste säilimise keha vedelas keskkonnas ja ühendab need veeslahustuvate valkude rühmaks. Erandiks on globulaarsed valgud, mis moodustavad inimese ja looma rakkude membraanide mosaiikstruktuuri. Need on seotud glükolipiididega ja on rakkudevahelises vedelikus lahustumatud, mis tagab nende barjäärirolli rakus.
Fibrillaarsed peptiidid
Kollageenil ja elastiinil, mis on pärisnaha osa ja mis määravad selle tugevuse ja elastsuse, on niitjas struktuur. Nad suudavad venitada, muutes oma ruumilist konfiguratsiooni. Fibroiin on looduslik siidivalk, mida toodavad siidiusside vastsed. See sisaldab lühikesi struktuurseid kiude, mis koosnevad väikese massi ja molekulipikkusega aminohapetest. Need on esiteks seriin, alaniin ja glütsiin. Temapolüpeptiidahelad on ruumis orienteeritud vertikaalses ja horisontaalses suunas. Aine kuulub struktuursete polüpeptiidide hulka ja sellel on kihiline vorm. Erinev alt globulaarsetest polüpeptiididest on fibrillidest koosneva valgu lahustuvus väga madal, kuna selle aminohapete hüdrofoobsed radikaalid asuvad makromolekuli pinnal ja tõrjuvad eemale polaarsed lahustiosakesed.
Keratiinid ja nende struktuuri omadused
Arvestades fibrillaarse vormi struktuurvalkude rühma, nagu fibroiin ja kollageen, on vaja peatuda veel ühel looduses lai alt levinud peptiidide rühmal - keratiinidel. Need on aluseks sellistele inimese ja looma kehaosadele nagu juuksed, küüned, suled, vill, kabjad ja küünised. Mis on keratiin oma biokeemilise struktuuri poolest? On kindlaks tehtud, et peptiide on kahte tüüpi. Esimesel on spiraalse sekundaarstruktuuri kuju (α-keratiin) ja see on juuste aluseks. Teist esindavad jäigemad kihilised fibrillid - see on β-keratiin. Seda võib leida loomade kõvades kehaosades: kabjad, linnunokad, roomajate soomused, röövloomade ja lindude küünised. Mis on keratiin, tuginedes asjaolule, et selle aminohapped, nagu valiin, fenüülalaniin, isoleutsiin, sisaldavad suurel hulgal hüdrofoobseid radikaale? See on vees ja muudes polaarsetes lahustites lahustumatu valk, mis täidab kaitse- ja struktuurseid funktsioone.
Söötme pH mõju valgupolümeeri laengule
Varem mainisime, et valgu funktsionaalsed rühmadmonomeerid - aminohapped, määrake nende omadused. Nüüd lisame, et neist sõltub ka polümeeri laeng. Ioonsed radikaalid – glutamiin- ja asparagiinhappe karboksüülrühmad ning arginiini ja histidiini aminorühmad – mõjutavad polümeeri üldist laengut. Samuti käituvad nad erinev alt happelistes, neutraalsetes või aluselistes lahustes. Nendest teguritest sõltub ka valgu lahustuvus. Seega sisaldab lahus pH <7 juures liigses kontsentratsioonis vesinikprootoneid, mis pärsivad karboksüüli lagunemist, mistõttu valgu molekuli positiivne kogulaeng suureneb.
Katioonide akumuleerumine valgus suureneb ka neutraalse lahusesöötme korral ning arginiini, histidiini ja lüsiini monomeeride liia korral. Aluselises keskkonnas suureneb polüpeptiidi molekuli negatiivne laeng, kuna vesinikioonide liig kulutatakse hüdroksüülrühmade sidumise kaudu veemolekulide moodustamiseks.
Valkude lahustuvust määravad tegurid
Kujutame ette olukorda, kus valguheeliksi positiivsete ja negatiivsete laengute arv on sama. Söötme pH-d nimetatakse sel juhul isoelektriliseks punktiks. Peptiidi makromolekuli enda kogulaeng muutub nulliks ja selle lahustuvus vees või muus polaarses lahustis on minimaalne. Elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria sätted väidavad, et aine lahustuvus dipoolidest koosnevas polaarses lahustis on seda suurem, mida polariseeruvamad on lahustunud ühendi osakesed. Samuti selgitavad nad lahustuvust määravaid tegureidvalgud: nende isoelektriline punkt ja peptiidi hüdratatsiooni või solvatatsiooni sõltuvus selle makromolekuli kogulaengust. Enamik selle klassi polümeere sisaldab liigselt -COO- rühmi ja neil on kergelt happelised omadused. Erandiks on eelnev alt mainitud membraanivalgud ja peptiidid, mis on osa pärilikkuse tuumast - kromatiinist. Viimaseid nimetatakse histoonideks ja neil on selged põhiomadused, kuna polümeeriahelas on palju aminorühmi.
Valkude käitumine elektriväljas
Praktilistel eesmärkidel on sageli vaja eraldada näiteks verevalgud fraktsioonideks või üksikuteks makromolekulideks. Selleks saab kasutada laetud polümeeri molekulide võimet liikuda teatud kiirusega elektriväljas elektroodidele. Erineva massi ja laenguga peptiide sisaldav lahus asetatakse kandjale: paberile või spetsiaalsele geelile. Juhtides elektrilisi impulsse, näiteks läbi osa vereplasmast, saadakse kuni 18 fraktsiooni üksikuid valke. Nende hulgas: igat tüüpi globuliinid, aga ka valgualbumiin, mis pole mitte ainult kõige olulisem komponent (moodustab kuni 60% vereplasma peptiidide massist), vaid mängib ka keskset rolli osmoosiprotsessides. ja vereringe.
Kuidas soola kontsentratsioon mõjutab valkude lahustuvust
Peptiidide võime moodustada mitte ainult geele, vahtu ja emulsioone, vaid ka lahuseid on oluline omadus, mis peegeldab nende füüsikalis-keemilisi omadusi. Näiteks varem uuritudteraviljaseemnete endospermis, piimas ja vereseerumis leiduvad albumiinid moodustavad kiiresti vesilahused, mille neutraalsete soolade, näiteks naatriumkloriidi kontsentratsioon jääb vahemikku 3–10 protsenti. Samade albumiinide näitel saab välja selgitada valgu lahustuvuse sõltuvuse soolade kontsentratsioonist. Need lahustuvad hästi ammooniumsulfaadi küllastumata lahuses ja üleküllastunud lahuses sadestuvad pöörduv alt ning soola kontsentratsiooni edasise vähenemisega, lisades osa veest, taastavad oma hüdratatsioonikihi.
Väljasoolamine
Peptiidide ülalkirjeldatud keemilisi reaktsioone tugevate hapete ja leeliste moodustatud soolade lahustega nimetatakse väljasoolamiseks. See põhineb valgu laetud funktsionaalrühmade koostoime mehhanismil soolaioonidega - metalli katioonide ja happejääkide anioonidega. See lõpeb peptiidi molekuli laengu kadumisega, selle veekihi vähenemisega ja valguosakeste adhesiooniga. Selle tulemusena need sadestuvad, mida arutame hiljem.
Sadestamine ja denaturatsioon
Atsetoon ja etüülalkohol hävitavad tertsiaarses struktuuris valku ümbritseva veekihi. Sellega ei kaasne aga sellel oleva kogulaengu neutraliseerimist. Seda protsessi nimetatakse sadestamiseks, valgu lahustuvus väheneb järsult, kuid ei lõpe denaturatsiooniga.
Peptiidmolekulid oma loomulikus olekus on väga tundlikud paljude keskkonnaparameetrite suhtes, näitekskeemiliste ühendite temperatuur ja kontsentratsioon: soolad, happed või leelised. Mõlema faktori toime tugevdamine isoelektrilises punktis viib polüpeptiidis stabiliseerivate molekulisiseste (disulfiidsillad, peptiidsidemed), kovalentsete ja vesiniksidemete täieliku hävimiseni. Sellistes tingimustes denatureruvad kerakujulised peptiidid eriti kiiresti, kaotades samal ajal täielikult oma füüsikalis-keemilised ja bioloogilised omadused.
