Биохимия, биохимия полости рта — СПбГПМУ, Стоматологический факультет
Белки являются амфотерными электролитами (амфолитами), поскольку их молекулы содержат одновременно кислотные (доноры протонов) и основные (акцепторы протонов) группы. Эти группы принадлежат как концевым участкам полипептидной цепи (свободная α-аминогруппа N-конца и α-карбоксильная группа C-конца), так и боковым радикалам аминокислотных остатков.
К наиболее значимым ионизируемым группам в составе белка относятся:
В зависимости от pH среды эти группы могут находиться в ионизированном (заряженном) или неионизированном состоянии. При низких значениях pH (кислая среда) основные группы присоединяют протоны (), а кислотные группы остаются недиссоциированными () — суммарный заряд белка положительный. При высоких pH (щелочная среда) кислотные группы диссоциируют (), а основные группы теряют протоны — суммарный заряд отрицательный.
> [!simple] Простыми словами: Белок ведёт себя как «кислота» или «основание» в зависимости от pH раствора. В кислой среде он присоединяет лишние протоны и становится положительно заряженным, в щелочной — отдаёт протоны и становится отрицательно заряженным.
Изоэлектрическая точка (pI) — это значение pH раствора, при котором суммарный электрический заряд молекулы белка равен нулю. Достигается равенство числа положительно и отрицательно заряженных групп, и белок становится электронейтральным.
Для белка, содержащего множество ионизируемых групп с различными значениями pKa, pI не является простым средним арифметическим. Она вычисляется как среднее двух значений pKa тех ионизируемых групп, которые находятся в равновесии при определённом pH и между которыми происходит переход через нулевой заряд. Упрощённо для большинства белков pI лежит в кислой области (около 4–6), что связано с преобладанием в составе остатков дикарбоновых аминокислот (Asp, Glu). Однако для основных белков (например, гистонов) pI может быть > 7.
> [!formula] Расчёт pI (для простого случая – дипептида или белка с двумя основными ионизируемыми группами)
>
> где и — значения pKa для двух последовательных ионизационных переходов, окружающих область нулевого заряда. Для сложных белков расчёт требует учёта всех ионизируемых групп, но принцип остаётся тем же.
Пример: Для простого белка, содержащего остатки аспарагиновой и лизиновой кислот, pI будет находиться между pKa карбоксильной группы Asp (~3.9) и pKa аминогруппы Lys (~10.5). Однако из-за большого количества других групп фактическое значение pI часто определяется по данным электрофореза или изоэлектрического фокусирования.
> [!example] Пример: Сывороточный альбумин человека имеет pI ≈ 4.7. При pH < 4.7 молекула несёт положительный заряд, при pH > 4.7 — отрицательный, а при pH = 4.7 суммарный заряд равен нулю.
При pH, соответствующем pI, у белков наблюдается ряд характерных физико-химических особенностей, обусловленных отсутствием электростатического отталкивания между молекулами:
1. Минимальная растворимость. Электронейтральные молекулы не отталкиваются друг от друга; усиливаются межмолекулярные гидрофобные взаимодействия и водородные связи. Белок выпадает в осадок (преципитирует) легче всего, если растворитель не содержит денатурирующих агентов. Это явление используется для осаждения белков при регулировании pH.
2. Минимальное осмотическое давление и вязкость. Из-за отсутствия заряда белок меньше гидратирован (связанная вода удерживается слабее), эффективный гидродинамический объём молекул уменьшается. Это приводит к снижению вязкости раствора и осмотического давления.
3. Минимальная способность к набуханию. Гели или осадки белка в изоэлектрической точке набухают слабее, так как отсутствие одноимённых зарядов на фибриллах уменьшает силу, растягивающую гель.
4. Нулевая электрофоретическая подвижность. В электрическом поле белок не движется, так как его суммарный заряд равен нулю.
5. Повышенная склонность к агрегации и термоденатурации. Белки в pI менее стабильны — они легче денатурируют при нагревании, так как различие в зарядах не препятствует развёртыванию и сближению полипептидных цепей.
> [!example] Пример: При электрофорезе сыворотки крови в геле альбумин (pI 4.7) в буфере pH 8.6 (щелочная среда) движется к аноду. Если же pH буфера довести до 4.7, альбумин не станет мигрировать.
> [!critical] Ключевой факт: Изоэлектрическая точка (pI) — это pH, при котором суммарный заряд белка равен нулю. В этой точке белок проявляет минимальную растворимость и не движется в электрическом поле. Управление pH среды позволяет целенаправленно осаждать белки или разделять их электрофоретически — это основа многих биохимических методов исследования и очистки.
---
Итог. Белки как амфотерные электролиты меняют свой заряд в зависимости от pH, а в изоэлектрической точке заряд исчезает, что резко снижает растворимость и стабильность белка.
Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Биохимии, биохимии полости рта