4. Высокая вязкость белковых растворов

С увеличением концентрации белка вязкость раствора повышается, поскольку повышаются силы сцепления между поверхностями белковых молекул.

При повышении температуры вязкость белковых растворов понижается. Добавление некоторых солей кальция приводит к повышению вязкости, поскольку ионы Са²⁺ способствуют сцеплению молекул с помощью кальциевых мостиков. Иногда вязкость белкового раствора в присутствии Са²⁺ настолько увеличивается, что он теряет текучесть и превращается в гель.

5. Способность белков к образованию гелей

Молекулы белка в растворе могут образовывать структурные сетки, внутри которых содержаться молекулы воды. Гелеобразующие свойства белков характеризуются способностью их коллоидного раствора из свободного диспергированного состояния переходить в связнодисперсное (с образованием систем, обладающих свойствами твердых тел). Упругие свойства геля зависят от концентрации белка, от рН, присутствия других белков, солей, ионов двухвалентных металлов (Са²⁺), полисахаридов.

Физико-химические свойства гелей: прочность, твердость, эластичность, тиксотропия (способность обратимо переходить в текучее состояние и нетекучий гель), температура размягчения и плавления, степень набухания, способность к синерезису (отделение дисперсионной среды с сокращением объема геля). К подобного рода «универсальным» гелеобразователям относится желатин.

Желатин – белковый продукт, представляет собой смесь линейных полипептидов с молекулярной массой 50–70 тыс. и их агрегатов, не имеющих запаха и вкуса. Аминокислотный состав желатина: глицин – 26–31%, пролин – 15–18%, гидроксипролин – 15%, глутаминовая кислота – 11–12%, аспарагиновая кислота – 6–7%, аланин – 8–11%, аргинин – 8–9%.

Желатин получают из коллагена, содержащегося в костях, хрящах и сухожилиях животных. В коллагене 35% карбоксильных групп находится в амидированной форме (СОNH₂). При получении желатина в процессе кислотной или щелочной экстракции нерастворимый коллаген превращается в растворимый желатин. В результате такой обработки амидные группы превращаются в карбоксильные (–СООН). Поэтому pI для амидированной формы желатина приблизительно 9,4, а рI для карбоксильной формы – 4,8 (эти границы варьируют).

Гелеобразование легче протекает в растворах фибриллярных белков и в связи с этим пищевые студни готовят из костей, хрящей, мяса, где много фибриллярных белков.

Коллагеновые белки костей, хрящей, кожи и других обладают высокой прочностью, упругостью и эластичностью, так как находятся в гелеобразном состоянии. Цитоплазма клетки тоже может переходить в гель.

Осаждаемость белков

Механизм и характер осаждения может быть различным.

Высаливание белков

Осаждение белков растворами нейтральных солей высокой концентрации (насыщенные растворы). Сильным высаливающим эффектом обладают сульфаты натрия (Na₂SO₄) и аммония ((NH₄)₂SO₄).

Механизм высаливания связан с тем, что добавляемые катионы и анионы снимают гидратную оболочку и одновременно, возможно, нейтрализуют заряд белка (состояние близкое к изоэлектрической точке). При таком осаждении сохраняются нативные свойства белков (биологическая активность) и сохраняются все уровни структурной организации белковой молекулы.

Если затем к осадку белка добавить воду, удалить диализом соль, то белок снова перейдет в раствор и будет проявлять биологическую активность. Высаливание используют для разделения белков сыворотки крови, молока, яичного белка на две фракции: альбумины и глобулины.

Глобулины, как менее растворимые белки и с большей молекулярной массой осаждаются первыми, при 50%-ном насыщении раствора белка (NH₄)₂SO₄ или Na₂SO₄, а альбумины при 100%-ном.

Осаждение белков органическими водоотнимающими средствами

Этанол, метанол, ацетон, снимают гидратную оболочку белковых молекул и белки осаждаются. Если после осаждения белков спирт быстро удалить, а к белку добавить воду или физиологический раствор, то белок вновь растворяется. Длительное воздействие данных реагентов на белок может вызвать их денатурацию.

Осаждение белков в изоэлектрической точке

Рассмотрено в разделе «Кислотно-основные свойства белков» и лабораторной работе «Физико-химические свойства белков».

Денатурация белков

При воздействии различных факторов на белок, сравнительно слабые связи (водородные, ионные, гидрофобные), ответственные за стабилизацию конформации белка (вторичную, третичную и четвертичную), разрушаются. Это приводит к потере биологической активности и физико-химических свойств белка (растворимость, оптические свойства, электрическая подвижность). Без изменения остается первичная структура.

При денатурации белковая молекула увеличивается в размерах («набухает»), плотная упаковка нативного белка разрыхляется. Внутри белковой глобулы разрушаются гидрофобные связи (белковая молекула при этом как бы «выворачивается»). Белковая молекула теряет гидрофильные свойства и, следовательно, гидратную оболочку и приобретает гидрофобные (т.к. на поверхности глобулы появляются гидрофобные группы). Белковые молекулы коагулируют («склеиваются») и выпадают в осадок.

Денатурирующие факторы: физические и химические.

1. Физические факторы – высокая температура, трение, давление, встряхивание, ультразвук, ионизирующие лучи, ультрафиолетовое облучение (УФО).

2. Химические факторы – концентрированные неорганические кислоты, крепкие щелочи, органические кислоты (уксусная кислота, трихлоруксусная, сульфосалициловая и др.), детергенты (моющие средства), некоторые амиды кислот (например, мочевина), алкалоиды, соли тяжелых металлов (ртути, меди, кадмия, цинка, бария, свинца) и другие (см. лабораторную работу «Физико-химические свойства белков»).

Наиболее устойчивыми к действию денатурирующих агентов являются фибриллярные белки, а также гликопротеины и протеогликаны (углеводный компонент стабилизирует белковую молекулу).

Ренатурация белков

В некоторых случаях денатурация обратима. Так, например, кратковременное воздействие спирта или ацетона вызывает в верхнем слое белковой молекулы перераспределение ионных и водородных связей и частичную денатурацию. После быстрого удаления спирта, ацетона происходит самопроизвольное восстановление этих связей в водной фазе.

Денатурирующее воздействие мочевины на белок можно также снять путем ее удаления (диализом или гемодиализом – искусственная почка). Мочевина образует водородные связи с атомами пептидных групп, т.е. встраивается во вторичную структуру:

При нарушении функции почек в крови повышается концентрация мочевины, она поступает в клетки (ткани) и вызывает токсическое действие. Несбалансированное с углеводами белковое питание сопровождается накоплением мочевины в крови и тканях, поскольку аминокислоты, вставшие на путь окисления (энергетический обмен), дезаминируются с отщеплением аммиака.