Рисунок 15 – Структуры молекулы белка
Четвертичная структура белка. В отличие от первичной, вторичной и третичной структур, которые содержат одну полипептидную цепь, четвертичная структура состоит из двух или более цепей. Эти цепи могут быть одинаковыми или разными, но в обоих случаях они связаны слабыми связями (нековалентнымн). Сущность такой структуры в объединении нескольких полимерных цепей в единый комплекс. Такой комплекс также рассматривается как белок, состоящий из нескольких субъединиц. Белки, состоящие из нескольких субъединиц, широко распространены в природе (гемоглобин, вирус табачной мозаики, фосфорилаза, РНК-полимераза). Субъединицы принято обозначать греческими буквами (так у гемоглобина имеется по две субъединицы). Наличие нескольких субъединиц важно в функциональном отношении -- оно увеличивает степень насыщения кислородом.
Четвертичная структура стабилизируется в основном силами слабых воздействий:
а) водородная; б) гидрофобная; в) ионные; г) ковалентные (дисульфидные, пептидные).
25 Влияние рН на структуру и свойства растворов белка
При действии на макромолекулы белка внешних факторов, таких как температура, рН, введение денатурирующего агента, механическое воздействие, происходит разрушение четвертичных, третичных и вторичных структур.
Рассмотрим влияние рН на состояние макромолекул в растворе белка и отражение этого состояния в ряде свойств.
В водном растворе макромолекула представляет аморфный ион +NH3-R-COO−. При этом ионогенные группы имеются не только на концах молекул, но и в боковых аминокислотных остатках R, распределенных по всей цепи. Поэтому для макромолекулы белка возможны различные состояния ионизации, определяемые зарядом макроиона, аминокислотным составом и рН. Макроион может быть заряжен положительно, отрицательно или иметь нулевой заряд в зависимости от pН среды. В кислой среде макроион
имеет положительный заряд: |
|
+NН3-R-СОО- + H+ |
+NН3-R-СООH |
в щелочной - отрицательный: |
|
+NН3-R-СОО- + ОН- |
NН2-R-СОО- + Н2O |
В результате диссоциации |
ионогенных групп на макромолекуле белка возникает |
заряд. В нейтральной среде диссоциация кислотных и аминогрупп определяется константами диссоциации кислотных и аминогрупп. В белках кислотные группы диссоциируют больше,
57
чем аминные, поэтому макромолекула содержит больше отрицательных зарядов и в электрическом поле будет двигаться к аноду.
При добавлении кислоты будет подавляться ионизация кислотных групп и усиливаться основных, что уменьшит число отрицательных зарядов на макромолекуле и увеличит число положительных. Если число диссоциированных амино- и карбоксильных групп одинаковы, то молекула белка в целом электронейтральна. Такое состояние белка называют изоэлектрическим состоянием, а соответствующее ему значение pH раствора - изоэлектрической точкой (ИЭТ). Чаще всего белки - более сильные кислоты, чем основания, и для них ИЭТ лежит при pH < 7. При различных pH изменяется форма макромолекул в растворе. В кислых и щелочных средах в макромолекуле преобладают заряды только одного знака, и вследствие их взаимного отталкивания молекулы распрямляются и существуют в растворе в виде длинных гибких цепочек. В ИЭТ макромолекулы свернуты в клубок вследствие взаимного притяжения разноименных зарядов. При этом происходит вытеснение сольватированного на молекуле белка растворителя, и белковое соединение выпадает в осадок. Практически все свойства растворов белков проходят через экстремальные значения в изоэлектрическом состоянии: осмотическое давление и вязкость минимальны в ИЭТ и сильно возрастают в кислой и щелочной средах вследствие возрастания асимметрии молекул, минимальна также способность вещества к набуханию и электропроводность, оптическая плотность раствора в ИЭТ максимальна. Изучение всех этих свойств используется для определения изоэлектрической точки белков.
При добавлении к раствору белка в ИЭТ кислоты подавляется диссоциация кислотных групп, макромолекула диссоциирует как основание и заряжается положительно. Наличие сил отталкивания между одноименными зарядами преодолевает силы сцепления, сначала нарушается четвертичная структура, затем происходит раскрытие складок третичной структуры, и впоследствии силы отталкивания как бы разрывают спираль и макромолекула стремится распрямиться. При этом плотность молекулярного клубка понизится, а объем увеличится. Цепи макромолекул, обладая определенной гибкостью, находятся в хаотическом движении и переплетаясь друг с другом, образуют структурные сетки, препятствующие свободному течению жидкости, что приводит к увеличению вязкости. Однако при очень большом добавлении кислоты ионизация одноименно заряженных групп снижается, силы отталкивания уменьшаются, и макромолекула опять сворачивается.
Аналогичные процессы происходят в растворе белка при добавлении щелочи.
2,0 |
|
|
|
|
|
|
1,8 |
|
|
|
|
|
|
1,6 |
|
|
|
|
|
|
1,4 |
|
|
|
|
|
|
1,2 |
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
|
|
|
|
|
pH |
Рисунок 16 – Влияние рН на светопропускание раствора белка |
||||||
58