המאמר שלנו יוקדש לחקר תכונותיהם של חומרים שהם הבסיס לתופעת החיים על פני כדור הארץ. מולקולות חלבון קיימות בצורות לא תאיות - וירוסים, מהווים חלק מהציטופלזמה והאברונים של תאים פרוקריוטיים וגרעיניים. יחד עם חומצות גרעין הן יוצרות את חומר התורשה - כרומטין ויוצרות את המרכיבים העיקריים של הגרעין - כרומוזומים. איתות, בנייה, קטליטי, מגן, אנרגיה - זוהי רשימה של פונקציות ביולוגיות שחלבונים מבצעים. התכונות הפיזיקליות הכימיות של חלבונים הן יכולתם להתמוסס, לזרז ולהמליח. בנוסף, הם מסוגלים לעשות דנטורציה והם, מטבעם הכימי, תרכובות אמפוטריות. הבה נחקור את התכונות הללו של חלבונים עוד יותר.
סוגי מונומרים חלבונים
20 סוגים של חומצות אמינו α הן היחידות המבניות של חלבון. בנוסף לרדיקל הפחמימני, הם מכילים NH2- קבוצת אמינו ו-COOH-קבוצת קרבוקסיל. קבוצות פונקציונליות קובעות את התכונות החומציות והבסיסיות של מונומרים חלבוניים. לכן, בכימיה אורגנית, תרכובות ממעמד זה נקראות חומרים אמפוטריים. יוני מימן של קבוצת הקרבוקסיל בתוך המולקולה ניתנים לפיצול ולקשר אותם לקבוצות אמינו. התוצאה היא מלח פנימי. אם יש מספר קבוצות קרבוקסיל במולקולה, אז התרכובת תהיה חומצית, כגון חומצה גלוטמית או אספרטית. אם קבוצות אמינו שולטות, חומצות אמינו הן בסיסיות (היסטידין, ליזין, ארגינין). עם מספר שווה של קבוצות פונקציונליות, לתמיסת הפפטידים יש תגובה ניטרלית. הוכח שהנוכחות של כל שלושת סוגי חומצות האמינו משפיעה על התכונות שיהיו לחלבונים. התכונות הפיזיקליות-כימיות של חלבונים: מסיסות, pH, מטען מקרומולקולה, נקבעות על ידי היחס בין חומצות אמינו חומציות ובסיסיות.
אילו גורמים משפיעים על מסיסות הפפטידים
בואו נגלה את כל הקריטריונים הדרושים שבהם תלויים תהליכי הידרציה או פתרון של מקרומולקולות חלבון. אלה הם: תצורה מרחבית ומשקל מולקולרי, הנקבעים לפי מספר שיירי חומצות אמינו. זה גם לוקח בחשבון את היחס בין חלקים קוטביים ובלתי קוטביים - רדיקלים הממוקמים על פני החלבון במבנה השלישוני ואת המטען הכולל של מקרומולקולת הפוליפפטיד. כל התכונות הנ ל משפיעות ישירות על מסיסות החלבון. בואו נסתכל עליהם מקרוב.
גלבולות והיכולת שלהן לחות
אם למבנה החיצוני של הפפטיד יש צורה כדורית, אז נהוג לדבר על המבנה הכדורי שלו. הוא מיוצב על ידי קשרי מימן וקשרים הידרופוביים, כמו גם על ידי כוחות המשיכה האלקטרוסטטית של חלקים טעונים הפוך של המקרומולקולה. לדוגמה, המוגלובין, הנושא מולקולות חמצן דרך הדם, בצורתו הרבעונית מורכב מארבעה שברי מיוגלובין, המאוחדים על ידי heme. חלבוני דם כגון אלבומינים, α-ו-ϒ-גלובולינים מתקשרים בקלות עם חומרים בפלסמה בדם. אינסולין הוא פפטיד כדורי נוסף המווסת את רמות הגלוקוז בדם ביונקים ובבני אדם. החלקים ההידרופוביים של קומפלקסים פפטידים כאלה ממוקמים באמצע המבנה הקומפקטי, בעוד החלקים ההידרופיליים ממוקמים על פני השטח שלו. זה מספק להם את השימור של תכונות מקומיות במדיום הנוזלי של הגוף ומשלב אותם לקבוצה של חלבונים מסיסים במים. היוצא מן הכלל הוא חלבונים כדוריים היוצרים את מבנה הפסיפס של הממברנות של תאי אדם ובעלי חיים. הם קשורים לגליקוליפידים ואינם מסיסים בנוזל הבין-תאי, מה שמבטיח את תפקיד המחסום שלהם בתא.
פפטידים פיברילרים
לקולגן ואלסטין, שהם חלק מהדרמיס וקובעים את מוצקותו וגמישותו, יש מבנה חוטי. הם מסוגלים להימתח, לשנות את התצורה המרחבית שלהם. פיברואין הוא חלבון משי טבעי המיוצר על ידי זחלי תולעי המשי. הוא מכיל סיבים מבניים קצרים, המורכבים מחומצות אמינו בעלות מסה קטנה ואורך מולקולרי. אלו הם, קודם כל, סרין, אלנין וגליצין. שֶׁלוֹשרשראות פוליפפטיד מכוונות בחלל בכיוונים אנכיים ואופקיים. החומר שייך לפוליפפטידים המבניים ובעל צורת שכבות. בניגוד לפוליפפטידים כדוריים, המסיסות של חלבון המורכב מסיבים נמוכה מאוד, שכן הרדיקלים ההידרופוביים של חומצות האמינו שלו שוכבים על פני המקרומולקולה ודוחים חלקיקי ממס קוטביים.
קרטינים ותכונות המבנה שלהם
בהתחשב בקבוצת החלבונים המבניים בעלי צורה פיברילרית, כמו פיברואין וקולגן, יש צורך להתעכב על עוד קבוצה אחת של פפטידים המופצת באופן נרחב בטבע - קראטינים. הם משמשים כבסיס לחלקים כאלה בגוף האדם והחי כמו שיער, ציפורניים, נוצות, צמר, פרסות וטפרים. מהו קרטין מבחינת המבנה הביוכימי שלו? הוכח כי ישנם שני סוגים של פפטידים. לראשון יש צורה של מבנה משני ספירלי (α-keratin) והוא הבסיס לשיער. השני מיוצג על ידי סיבי שכבות נוקשים יותר - זהו β-קרטין. ניתן למצוא אותו בחלקים הקשים של גופם של בעלי חיים: פרסות, מקור ציפורים, קשקשים של זוחלים, טפרים של יונקים טורפים וציפורים. מהו קרטין, בהתבסס על העובדה שחומצות האמינו שלו, כמו ולין, פנילאלנין, איזולאוצין, מכילות מספר רב של רדיקלים הידרופוביים? זהו חלבון שאינו מסיס במים ובממיסים קוטביים אחרים שמבצע פונקציות הגנה ומבניות.
השפעת ה-pH של המדיום על מטען הפולימר החלבון
קודם לכן הזכרנו את הקבוצות הפונקציונליות של חלבוןמונומרים - חומצות אמינו, קובעים את תכונותיהם. כעת נוסיף שגם המטען של הפולימר תלוי בהם. רדיקלים יוניים - קבוצות קרבוקסיל של חומצות גלוטמיות ואספרטיות וקבוצות אמינו של ארגינין והיסטידין - משפיעים על המטען הכולל של הפולימר. הם גם מתנהגים אחרת בתמיסות חומציות, ניטרליות או אלקליות. מסיסות החלבון תלויה גם בגורמים אלו. אז, ב-pH <7, התמיסה מכילה ריכוז עודף של פרוטוני מימן, המעכבים את פירוק הקרבוקסיל, כך שהמטען החיובי הכולל על מולקולת החלבון גדל.
הצטברות הקטיונים בחלבון עולה גם במקרה של תווך תמיסה ניטרלי ועם עודף של מונומרים של ארגינין, היסטידין וליזין. בסביבה בסיסית, המטען השלילי של מולקולת הפוליפפטיד גדל, מכיוון שעודף יוני המימן מושקע ביצירת מולקולות מים על ידי קשירת קבוצות הידרוקסיל.
גורמים הקובעים את מסיסות החלבונים
בוא נדמיין מצב שבו מספר המטענים החיוביים והשליליים על סליל חלבון זהה. ה-pH של המדיום במקרה זה נקרא הנקודה האיזואלקטרית. המטען הכולל של מקרומולקולת הפפטיד עצמה הופך לאפס, והמסיסות שלה במים או בממס קוטבי אחר תהיה מינימלית. הוראות התיאוריה של פירוק אלקטרוליטי קובעות כי מסיסותו של חומר בממס קוטבי המורכב מדיפולים תהיה גבוהה יותר, ככל שחלקיקי התרכובת המומסת יהיו מקוטבים יותר. הם גם מסבירים את הגורמים שקובעים את המסיסותחלבונים: הנקודה האיזואלקטרית שלהם והתלות של הידרציה או פתרון של הפפטיד במטען הכולל של המקרומולקולה שלו. רוב הפולימרים ממחלקה זו מכילים עודף של קבוצות -COO- ובעלי תכונות חומציות מעט. יוצא דופן יהיו חלבוני הממברנה והפפטידים שהוזכרו קודם לכן שהם חלק מהחומר הגרעיני של התורשה - כרומטין. האחרונים נקראים היסטונים ובעלי תכונות בסיסיות מובהקות בשל נוכחותן של מספר רב של קבוצות אמינו בשרשרת הפולימר.
התנהגות של חלבונים בשדה חשמלי
למטרות מעשיות, לעתים קרובות יש צורך להפריד, למשל, חלבוני דם לשברים או למקרומולקולות בודדות. לשם כך ניתן להשתמש ביכולת של מולקולות פולימר טעונות לנוע במהירות מסוימת אל האלקטרודות בשדה חשמלי. תמיסה המכילה פפטידים בעלי מסה שונה ומטען שונה מונחת על מנשא: נייר או ג'ל מיוחד. על ידי העברת דחפים חשמליים, למשל, דרך חלק מפלסמת הדם, מתקבלים עד 18 חלקים של חלבונים בודדים. ביניהם: כל סוגי הגלובולינים, כמו גם אלבומין חלבון, שהוא לא רק המרכיב החשוב ביותר (הוא מהווה עד 60% ממסת הפפטידים בפלסמה בדם), אלא גם ממלא תפקיד מרכזי בתהליכי האוסמוזה. ומחזור הדם.
איך ריכוז המלח משפיע על מסיסות החלבון
היכולת של פפטידים ליצור לא רק ג'לים, קצפים ואמולסיות, אלא גם תמיסות היא תכונה חשובה המשקפת את המאפיינים הפיזיקליים-כימיים שלהם. לדוגמה, למד בעבראלבומינים המצויים באנדוספרם של זרעי דגנים, חלב וסרום דם יוצרים במהירות תמיסות מימיות עם ריכוז מלחים ניטרליים, כגון נתרן כלורי, בטווח שבין 3 ל-10 אחוזים. באמצעות הדוגמה של אותם אלבומינים, ניתן לגלות את התלות של מסיסות החלבון בריכוז המלחים. הם מתמוססים היטב בתמיסה בלתי רוויה של אמוניום גופרתי, ובתמיסה על רוויה הם משקעים באופן הפיך, ועם ירידה נוספת בריכוז המלח על ידי הוספת מנת מים, משחזרים את מעטפת ההידרציה שלהם.
מלוח
התגובות הכימיות המתוארות לעיל של פפטידים עם תמיסות של מלחים שנוצרו על ידי חומצות חזקות ואלקליות נקראות "המלחה". הוא מבוסס על מנגנון האינטראקציה של קבוצות פונקציונליות טעונות של החלבון עם יוני מלח - קטיוני מתכת ואניונים של שאריות חומצה. זה מסתיים באובדן מטען על מולקולת הפפטידים, ירידה במעטפת המים שלה והיצמדות של חלקיקי חלבון. כתוצאה מכך הם יורדים, ועליהם נדון בהמשך.
משקעים ודנטורציה
אצטון ואלכוהול אתילי הורסים את מעטפת המים המקיפה את החלבון במבנה השלישוני. עם זאת, אין זה מלווה בניטרול סך המטען עליו. תהליך זה נקרא משקעים, מסיסות החלבון מופחתת בחדות, אך אינה מסתיימת בדנטורציה.
מולקולות פפטיד במצבן המקורי רגישות מאוד לפרמטרים סביבתיים רבים, למשל,טמפרטורה וריכוז של תרכובות כימיות: מלחים, חומצות או אלקליות. חיזוק הפעולה של שני הגורמים הללו בנקודה האיזואלקטרית מוביל להרס מוחלט של הקשרים התוך מולקולריים (גשרים דיסולפידים, קשרי פפטידים), קוולנטיים ומימן בפוליפפטיד. במיוחד במהירות בתנאים כאלה, פפטידים כדוריים מתנוננים, תוך שהם מאבדים לחלוטין את התכונות הפיזיקוכימיות והביולוגיות שלהם.
