1. Электрохимические свойства белков

Амфотерная природа белков. Белки являются амфотерными поли­электролитами. Поскольку большая часть ионных и полярных групп боковых радикалов находится на поверхности белковой глобулы, то именно они определя­ют амфотерные свойства и заряд белковой молекулы. Кислые свой­ства белку придают аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты, диссоциация их карбоксильных групп является источником отрица­тельных электрических зарядов на поверхности белковой молекулы. Основные свойства белку придают лизин, аргинин, гистидин, способ­ные к протонированию и созданию на поверхности белковой молеку­лы положительных зарядов. Определенный вклад в амфотерную при­роду белковой молекулы вносят ее N- и С-концевые аминокислоты. Слабая диссоциация SН-групп цистеина и ОН-групп тирозина весьма несущественно влияет на амфотерность белков.

Суммарный заряд белковой молекулы определяется соотношением в ней кислых и основных радикалов аминокислот, их величин рК и рН среды. Если в белке кислые аминокислоты преобладают над основ­ными, то в целом молекула белка электроотрицательна, т.е. она нахо­дится в форме полианиона, и наоборот, если преобладают основные аминокислоты, — в форме поликатиона.

Влияние рН среды на электрохимические свойства белков. Амфо-терный характер белков особенно ярко проявляется при изменении величины рН белкового раствора. В кислой среде идет подавление кислотной диссоциации карбоксильных групп и интенсивное протонирование NН₂-, NН- имидазольной групп: суммарный заряд белко­вой молекулы будет положительным. В щелочной среде при избытке ОН-ионов будет наблюдаться обратная картина: интенсивная диссо­циация карбоксильных групп и депротонирование основных групп — суммарный заряд белковой молекулы будет отрицательным.

Подобно аминокислотам, каждый белок может находиться в изоэлектрическом состоянии, величина рН, обусловливающая это состояние, будет являться изоэлектрической точкой белка. В этой точке бе­лок не обладает подвижностью в электрическом поле, так как его элект­рический заряд будет приблизительно равен нулю; белок имеет наи­меньшую растворимость в воде; раствор белка обладает минимумом устойчивости/

ИЭТ каждого белка определяется соотношением кислых и основных групп, величиной их рК: чем выше это соотношение и ниже величины рК групп, тем ниже ИЭТ белка. У кислых белков ИЭТ ниже 7, у нейт­ральных — около 7, а у основных — больше 7; при рН ниже ИЭТ белок будет находиться в форме поликатиона, при рН выше ИЭТ — в форме полианиона, в ИЭТ — в форме амфотерного полииона. ИЭТ большинства белков животных, растений, микроорганизмов лежит в пределах 5,5—-6,0, а внутриклеточная величина рН находится при 7,0—7,2 (физиоло­гическое значение рН).

2. Гидрофильность белков

Гидрофильность белков, т.е. способность белков связывать на сво­ей контактной поверхности воду, — одно из характерных физико-хи­мических свойств белков, имеющее исключительно большое значение в организации биологических систем. С гидрофильностью связаны такие процессы, как набухание и растворимость белков, их осаждение и денатурация. Рассмотрим эти свойства более подробно.

Набухаемостъ и растворимость белков. Гидрофильность представ­ляет собой следствие действия электростатических сил притяжения, развивающихся между ионными и полярными группами белковой глобулы и диполями воды. Выше уже было отмечено, что белковая глобула в принципе представляет собой структуру, состоящую из двух зон: внутреннего гидрофобного ядра и внешней оболочки, содержа­щей в основном ионные и полярные группы.

Гидратация ионных групп белка обусловлена ориентацией дипольных молекул воды в электрическом поле иона, а гидратация поляр­ных групп белка — ориентацией молекул воды в результате взаимо­действия диполей и образования водородных связей.

В результате действия электростатических сил поверхность белко­вой глобулы покрывается гидратной оболочкой. Первый слой молеку­лы воды (мономолекулярный слой) довольно прочно адсорбирован на поверхности, последующие слои гидратной оболочки, по мере того как электростатические силы ослабевают, становятся все менее и менее упорядоченными.

При контакте сухого белка с водой он набухает, молекулы воды про­никают в белковую массу, гидратируют молекулы белка, разъединяя их. Дальнейшее поглощение воды приводит к растворению белка.

Поскольку аминокислотный состав белков различен, растворимость белков колеблется в широких пределах и будет определяться соотно­шением гидрофильных (ионных и полярных) и гидрофобных (неполярных) групп, спецификой их укладки в трехмерную структуру: чем больше гидрофильных групп находится на поверхности белко­вой глобулы, тем выше ее гидрофильность и растворимость белка; поверхностные гидрофобные К-группы снижают растворимость. Гло­булярные белки обладают лучшей растворимостью, чем фибрилляр­ные. При достаточно большом количестве поверхностных гидрофоб­ных групп полное растворение белка не происходит и завершается лишь ограниченным набуханием.

Явление набухания белков широко распространено в пищевой тех­нологии: оно, например, играет ведущую роль в образовании пшенич­ного теста с присущими ему свойствами. Набухшие белки муки глиадин и глютенин известны под названием клейковины. Они образуют в тесте трехмерную губчато-сетчатую структурную основу, обусловли­вают упругость, растяжимость, эластичность, пластичность теста. Ка­чество клейковины определяет в основном качество хлебобулочного изделия (его вкус, форму, структуру мякиша).

Водные растворы белков, в сущности, можно отнести к истинным молекулярным растворам. Однако высокая молекулярная масса бел­ков придает растворам коллоидный характер. Молекулы белков не способны диффундировать через полупроницаемые мембраны — коллодиевую пленку, обезжиренный рыбий пузырь, целлофан. На этом явлении основаны очистка белков от низкомолекулярных примесей методом диализа. При диализе целлофановый мешочек с раствором бел­ка помещают в сосуд с проточной водой. Внешние стенки мешочка омываются водой. Низкомолекулярные вещества диффундируют че­рез мембрану и удаляются вместе с водой. При ультрафильтрации мембрана действует как молекулярный фильтр.