Высокомолекулярные соединения (стр. 5 )

Главным источником мембранного потенциала у ряда клеток является, следовательно, распределение калиевых и натриевых ионов, в других клетках – ионов кальция и водорода. Когда клетки находятся в спокойном состоянии, цитоплазма имеет отрицательный электрический заряд, так что внутриклеточный электростатический потенциал ниже потенциала внешней среды.

БЕЛКИ

Белки это природные высокомолекулярные соединения, построенные из остатков аминокислот, соединённых амидной (пептидной) связью  СО  NH  . В макромолекулах белков возможно различное сочетание полипептидных цепей, формирующихся всего из 20 простых аминокислот. Число различных сочетаний этих кислот определяется числом образующих макромолекул атомов (порядка 103 – 104) и значительным количеством конформационных степеней свободы (102 – 103). По этой причине полипептидная цепь может принимать множество микроскопических, конформационных состояний, порядка 10n (n – число аминокислотных остатков, достигающих несколько сотен), что и обусловливает многообразие белков.

На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. Функционирование белков лежит в основе важнейших процессов жизнедеятельности организма. Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечное сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов – высокоспецифических катализаторов биохимических реакций, являющихся белками. Основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований составляют структурные белки.

Защитные системы высших организмов формируются защитными белками, к которым относятся иммуноглобулины (ответственны за иммунитет), белки системы свёртывания крови (тромбин, фибрин и др.), противовирусный белок (интерферон) и так далее.

Перечислить все значения белков для организма очень сложно; подробнее вы будете изучать это в курсе биохимии.

По составу белки делят на простые, состоящие только из аминокислотных остатков, и сложные. Сложные белки могут включать ионы металла (металлопротеиды) или пигмент (хромопротеиды), образовывать прочные комплексы с липидами (липопротеиды), нуклеиновыми кислотами (нуклепротеиды), а также ковалентно связывать остаток фосфорной кислоты (фосфопротеиды) и т. д.

В соответствии с формой молекул белки подразделяются на глобулярные и фибриллярные. Молекулы глобулярных белков свёрнуты в компактные глобулы сферической или эллипсоидной формы, молекулы фибриллярных белков образуют длинные волокна (фибриллы) и очень асимметричны. Большинство глобулярных белков, в отличие от фибриллярных, растворимы в воде.

Особую группу составляют мембранные белки, характеризующиеся неравномерным распределением гидрофильных и гидрофобных участков в молекуле: погруженная в биологическую мембрану часть глобулы состоит преимущественно гидрофобных аминокислотных остатков, а выступающая из мембраны – из гидрофильных.

БЕЛКИ КАК ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТЫ

Одной из важных проблем, возникающих при изучении ВМС, является проблема появления на поверхности макромолекул заряда. Поверхность макромолекулы может иметь собственный заряд, возникающий благодаря расположенным на ней анионным и катионным группам. Белки, например, содержат карбоксильные анионы, несущие отрицательный заряд, и протонированные основные группы, которые сообщают молекуле положительный заряд. Нуклеиновые кислоты заряжены отрицательно, что обусловлено диссоциацией фосфатных групп, которые в структуре остова молекулы чередуются с молекулами пентозы. Макромолекулы, не содержащие ионизируемых групп, могут связывать ионы растворителя или другие имеющиеся в растворе ионы за счёт поляризации вблизи гидроксигрупп или атомов кислорода, входящих в состав макромолекул. Таким образом, заряженная поверхность макромолекул является одной из особенностей отличающей их от молекул низкомолекулярных веществ. Многие макромолекулы являются примером полиэлектролитов. Полиэлектролиты это полимеры, в макромолекулах которых содержатся ионогенные группы. В растворе макромолекула полиэлектролита представляет собой полиион, окруженный эквивалентным количеством противоионов, малых по размеру с зарядами противоположного знака.

Белки и аминокислоты в водных растворах находятся преимущественно в форме биполярных ионов:

H2N – R – COOH ↔ H3N+ – R - COO‾

БИПОЛЯРНЫЙ ИОН

(ЦВИТТЕР-ИОН)

В кислой среде, когда в растворе имеется избыток ионов водорода, подавляется ионизация карбоксильных групп, молекула белка ведёт себя как основание:

H3N+ – R - COO‾ + Н+ → H3N+ – R – COOН

Молекула присоединяет протон и становится положительно заряженным поликатионом.

В щелочной среде, в которой много гидроксид ионов, будет подавляться диссоциация аминогрупп:

H3N+ – R - COO‾ + ОН ‾ → H2N – R – COO‾ + Н2О

и молекула превращается в отрицательно заряженный полианион, т. е. молекула ведёт себя как кислота.

Величина и знак заряда белков, находящихся в растворе, зависит от рН среды. Это обстоятельство обусловлено неодинаковым числом ионогенных групп – СООН и – NH2. Например, у таких белков, как казеин, желатин, альбумин и некоторых других, в водных растворах кислотные группы превалируют над основными и рН раствора будет меньше 7. Преобладание основных групп (-NH2) приводит к тому, что рН > 7. Это наблюдается в растворах таких белков, как глиадин пшеницы, проламин и др.

Меняя рН среды, можно изменять ионизирующую способность макромолекул белков. Константы диссоциации кислотных и основных групп белков не совпадают. По этой причине число диссоциированных основных и кислотных групп макромолекул белка может быть одним и тем же только при определённом значении рН среды. Такое состояние соответствует изоэлектрической точке (ИЭТ), т. е. значению рН среды, при котором число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп.

Изоэлектрическим состоянием белка называется состояние белковой молекулы, при котором её положительные и отрицательные заряды взаимно скомпенсированы.

Молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно считать нейтральной, хотя в ней имеются ионизированные группы.

Условно молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно изобразить так:

+NH3 –R – COO ‾

Изоэлектрическая точка белка (ИТБ) – это значение рН, при котором белок переходит в изоэлектрическое состояние.

ИЭТ белков лежит в пределах рН от 2 (у пепсина) до 10,6 (у цитохрома С), но преимущественно ИЭТ белков соответствует рН < 7. ИЭТ некоторых белков достигается при следующих значениях рНИЭТ: пепсина (фермент желудочного сока) – 2,0; казеина (белок, образующийся при свёртывании молока) – 4,6; альбумина яйца – 4,8; карбоксигемоглобина – 6,87; химотрипсина (фермент сока поджелудочной железы) – 8,6.

В изоэлектрическом состоянии свойства растворов белков резко меняются: при этом они имеют, например, наименьшую вязкость, плохую растворимость, что связано с изменением формы макромолекул. При значении рН, близком к изоэлектрической точке, разноименно заряженные группы – (NH3)+ и СОО‾ притягиваются друг к другу и макромолекула закручивается в спираль. При смещении рН среды от изоэлектрической точки одноимённо заряженные группы отталкиваются и цепь выпремляется. Молекулы ВМС в развёрнутом состоянии придают раствором более высокую вязкость, чем молекулы ВМС, свёрнутые в спираль или клубок.

Электрофорез

Электрофорезом называют перемещение заряженных частиц в электрическом поле (если имеют дело с небольшими ионами, говорят о ионофорезе). Движение вещества происходит в жидкой среде, которая удерживается инертным носителем, например бумагой или полужидким гелем. Жидкость служит проводящей средой для электрического поля, когда к ней приложено внешнее напряжение. Подвижность заряженной частицы (макромолекулы) в электрическом поле называется электрофоретической подвижностью. Зная электрофоретическую подвижность, можно сравнить заряды и массы молекул, входящих в состав исследуемого образца с эталонными белками.

Наибольшее распространение получил электрофорез в полиакриламидном геле, который широко применяется при анализе белков и нуклеиновых кислот.

Значение рI полипептида нельзя вычислять тем же способом, что и для аминокислот. Для нахождения изоэлектрической точки полипептида (белка) необходимо:

1. Измерить подвижность полипептида при нескольких разных значениях рН;

2. Построить график зависимости подвижности от рН;

3. Графически найти значение рН, соответствующее нулевой подвижности.

Значение изоэлектрической точки может дать определённую информацию общего характера об аминокислотном составе белка. Например, белок с большим содержанием кислых аминокислот, чем основных, имеет рI < 7; в противном случае рI > 7/ Пепсин, белок пищеварения, экскретируемый клетками в желудок и очень богатый глутаминовой и аспаргиновой кислотами, имеет рI ~ 1. В то же время гистоны ядра, очень богатые аргинином и лизином, имеют рI ~ 12. Значение изоэлектрической точки может помочь при составлении схемы выделения белка, поскольку растворимость белка минимальна при рН = рI.

СТУДНИ И ПРОЦЕСС СТУДНЕОБРАЗОВАНИЯ

Студни – это структурированные системы, образующиеся при отвердевании жидких растворов полимеров или при набухании твёрдых полимеров.

[Студни это системы полимер – растворитель, характеризующиеся большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии вязкого течения. Для этих систем иногда применяют термин «гели», который в коллоидной химии означает скоагулированные золи. Исторически термин «гель» появился при исследовании именно полимерной системы (водного раствора желатина), однако, после размежевания коллоидной химии и химии полимеров в последней используют термин «студни».]

Ограниченное набухание полимеров приводит к образованию студней. Примером могут служить такие системы как набухший в органическом растворителе каучук или застывший при охлаждении раствор желатины.

Студни получаются из растворов ВМС, а гели из золей. Студень представляет собой пространственную сетку из макромолекул полимера, заполненную молекулами растворителя. Студень система гомогенная.