Свойства воды гидратной оболочки

а) Температура кипения выше 100⁰С.

б) Температура замерзания ниже 0^ОС.

в) В воде гидратной оболочки не растворяются различные соли и другие гидрофильные вещества.

г) Окружая каждую молекулу белка, гидратная оболочка не дает этим белковым молекулам сблизиться, соединиться и выпасть в осадок.

2) ЗАРЯД БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ. Поверхность большинства белковых молекул заряжена потому, что в каждой молекуле белка есть свободные заряженные СОО^- и NH₃⁺ группы. Изоэлектрическая точка (ИЭТ) большинства белков организма находится в слабокислой среде. Это означает, что у таких белков количество кислотных (СООН) групп больше количества основных групп (NH₃). рН плазмы крови около 7,36 - это выше ИЭТ большинства белков, поэтому в плазме крови белки имеют отрицательный заряд.

молекулы, соотношению полярных и неполяр­ных групп на поверхности нативной молекулы белка, растворимости белков, а также степени устойчивости к воздействию денатурирующих агентов.

/. Различия белков по форме молекул

Как уже говорилось выше, по форме молекул белки делят на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют более компактную структуру, их гидрофобные радикалы в большин­стве своём спрятаны в гидрофобное ядро, и они значительно лучше растворимы в жидкостях орга­низма, чем фибриллярные белки (исключение составляют мембранные белки).

2. Различия белков по молекулярной массе

Белки — высокомолекулярные соединения, но могут сильно отличаться по молекулярной мас­се, которая колеблется от 6000 до 1 000 000 Д и выше. Молекулярная масса белка зависит от ко­личества аминокислотных остатков в полипеп­тидной цепи, а для олигомерных белков — и от количества входящих в него протомеров (или субъединиц).

3. Суммарный заряд белков

Белки имеют в своём составе радикалы лизи­на, аргинина, гистидина, глутаминовой и аспа-рагиновой кислот, содержащие функциональные группы, способные к ионизации (ионогенные группы). Кроме того, на N- и С-концах поли­пептидных цепей имеются ос-амино- и а-карбок-сильная группы, также способные к ионизации. Суммарный заряд белковой молекулы зависит от соотношения ионизированных анионных ради­калов Глу и Асп и катионных радикалов Лиз, Apr и Гис.

Степень ионизации функциональных групп этих радикалов зависит от рН среды. При рН раствора около 7 все ионогенные группы белка находятся в ионизированном состоянии. В кис­лой среде увеличение концентрации протонов (Н*) приводит к подавлению диссоциации кар­боксильных групп и уменьшению отрицатель­ного заряда белков: -СОО- + Н* -> -СООН. В щелочной среде связывание избытка ОН" с протонами, образующимися при диссоциации NH₃* с образованием вод ы, приводит к умень­шению положительного заряда белков: -NH/+OH-->-NH₂ + Н₂0.

Значение рН, при котором белок приобре тает суммарный нулевой заряд, называют "изо электрическая точка» и обозначают как pН изоэлектрической точке количество положи тельно и отрицательно заряженных групп белка ка одинаково, т.е. белок находится в изоэло! рическом состоянии.

Так как большинство белков в клетке и«ет в своем составе больше анионогенных гр«(-СОО~), то изоэлектрическая точка этих ба ков лежит в слабокислой среде. Изоэлектри ческая точка белков, в составе которых пш обладают катионогенные группы, находит! в щелочной среде. Наиболее яркий пример в ких внутриклеточных белков, содержашЛ мною аргинина и лизина. — гистоны, вход» шие в состав хроматина.

Белки, имеющие суммарный положится ный или отрицательный заряд, лучше растви римы, чем белки, находящиеся в изоэлектри ческой точке. Суммарный заряд увеличивая количество диполей воды, способных связи ваться с белковой молекулой, и препятств>в контакту одноимённо заряженных молекул. I результате растворимость белков увеличив» ется. Заряженные белки могут двигаться ■ электрическом поле: анионные белки, имею! щие отрицательный заряд, будут двигаться ■ положительно заряженному аноду (+), а ка-тионные белки — к отрицательно заряженно­му катоду (—). Белки, находящиеся в изоэлек-трическом состоянии, не перемещаются I электрическом поле.

4. Соотношение полярных и неполярных групп на поверхности нашивных молекул белков

На поверхности большинства внутриклеточ­ных белков преобладают полярные радикалы.) однако соотношение полярных и неполярных групп отлично для разных индивидуальных бел­ков. Так, протомеры олигомерных белков в об­ласти контактов друг с другом часто содержат гидрофобные радикалы. Поверхности белков, функционирующих в составе мембран или при­крепляющиеся к ним в процессе функциони­рования, также обогащены гидрофобными ра­дикалами. Такие белки лучше растворимы в липидах, чем в воде.

 

5. Вопрос 5.Методы разделения и очистки белков. Высаливание, диализ, электрофорез, хроматография. Основные методы количественного определения белка в растворах (фотометрия, иммунохимия).

Методы выделения и очистки белков

Получение индивидуальных белков из биосинческого материала (тканей, органов, кле-точных культур) требует проведения последовательных операций, включающих:

• дробление биологического материала и раз­рушение клеточных мембран;

• фракционирование органелл, содержащих те или иные белки;

(■ экстракцию белков (перевод их в раство­рённое состояние);

• разделение смеси белков на индивидуаль­ные белки.

Методы разрушения тканей ж экстракции белков

Для разрушения биологического материала используют методы: гомогенизации ткани, ме-год попеременного замораживания и оттаива­ния, а также обработку клеток ультразвуком.

Гомогенизация биологического материала

Ткань, находящуюся в буферном растворе с оп­ределённым значением рН и концентрацией со­лей, помещают в стеклянный сосуд (гомогениза­тор) с пестиком. Вращающийся пестик измельчает я растирает ткань о притёртые стенки сосуда.

Метод замораживания и оттаивания ткани

В результате попеременного замораживания и оттаивания образующиеся кристаллы льда разрушают оболочки клеток.

После разрушения ткани нерастворимые ча­сти осаждают центрифугированием. Последую­щее центрифугирование гомогената с разной скоростью позволяет получить отдельные фрак­ции, содержащие клеточные ядра, митохондрии и другие органеллы, а также надосадочную жид­кость, в которой находятся растворимые белки цитозоля клетки. Искомый белок будет содер­жаться в одной из этих фракций.

Экстракция белков, связанных с мембранами, и разрушение олигомерных белков на прото-меры

Если искомый белок прочно связан с каки­ми-либо структурами клетки, его необходимо перевести в раствор. Так, для разрушения гид­рофобных взаимодействий между белками и липидами мембран в раствор добавляют детер­генты; чаще всего используют тритон Х-100 или додецилсульфат натрия.

Механизм действия детергентов описан в раз­деле «Денатурация белков» (см. рис. 1-15). При действии детергентов обычно разрушаются и гидрофобные взаимодействия между протоме-рами в олигомерных белках.

Удаление из раствора небелковых веществ

Нуклеиновые кислоты, липиды и другие не­белковые вещества можно удалить из раствора, используя их особенные физико-химические свойства. Так, липиды легко удаляются из ра­створа добавлением органических растворите­лей, например ацетона. Однако воздействие должно быть кратковременным, так как ацетон вызывает денатурацию некоторых белков. Нук­леиновые кислоты осаждают добавлением в ра­створ стрептомицина.

2. Методы очистки белков

Наиболее трудоёмкий этап получения инди­видуальных белков — их очистка от других бел­ков, находящихся в растворе, полученном из данной ткани. Часто изучаемый белок присут­ствует в небольших количествах, составляющих доли процента от всех белков раствора.

Так как белки обладают конформационной лабильностью, при работе с белками следует избегать денатурирующих воздействий, поэто­му выделение и очистка белков происходят при низких температурах. На первых стадиях очистки белков целесо­образно использовать методы, учитывающие какую-либо характерную особенность данного белка, например термостабильность или устой­чивость в кислых растворах. Первыми метода­ми очистки необходимо удалить из раствора основную массу балластных белков, которые значительно отличаются от выделяемого белка физико-химическими свойствами. Впоследствии применяют всё более тонкие методы очистки белка.

Очистка белков избирательной денатурацией

Большинство белков денатурирует и выпа­дает в осадок уже при кратковременном на­гревании раствора до 50-70 "С или подкисле-нии раствора до рН 5. Если выделяемый белок выдерживает эти условия, то с помощью из­бирательной денатурации можно удалить боль­шую часть посторонних белков, отфильтровав выпавшие в осадок белки, или осадить их цен­трифугированием.

'•' Высаливание

Метод очистки белков, основанный на раз­личиях в их растворимости при разной концен­трации соли в растворе. Соли щелочных и щё-лочно-земельных металлов вызывают обратимое осаждение белков, т.е. после их удаления белки вновь приобретают способность растворяться, сохраняя при этом свои нативные свойства.

Чаще всего для разделения белков методом высаливания используют разные концентрации солей сульфата аммония — (NH₄)₂S0₄. Чем выше растворимость белка, тем большая концентра­ция соли необходима для его высаливания.

Гель-фильтрация, или метод молекулярных сит

Для разделения белков часто используют хро-матографические методы, основанные на рас­пределении веществ между двумя фазами, одна из которых подвижная, а другая неподвижная. В основу хроматографических методов положе­ны разные принципы: гель-фильтрации, ион­ного обмена, адсорбции, биологического срод­ства.

Метод разделения белков с помощью гель-фильтрационной хроматографии основан на том, что вещества, отличающиеся молекуляр­ной массой, по-разному распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Хром. колонка заполняется гранула пористого вещества.В стрктуре полисахарида образуются полур. связи и формируются гранулы через которые легко проходят вода и низкомолекулярные вещества. В зависимости от условий можно формировать гранулы с разной величиной «пор».Неподвижная фаза — жидкость внутри гранул, в которую способны проникать низкомолекулярные вещества и белки с небольшой молекулярной массой. Смесь белков, нанесения А на хроматографическую колонку, вымывая (элюируют), пропуская через колонку растворитель. Вместе с фронтом растворителя движутся и самые крупные молекулы.

Более мелкие молекулы диффундируют внутри гранул и на некоторое время попадают в неподвижную фазу, в результате чего движение задерживается. Величина пор опрелЯ ляет размер молекул, способных проникали внутрь гранул

Так как гелевая структура сефадекса легко лея формируется под давлением, гели стали заме нять более жёсткими матрицами (сефактил, той-1 оперл), представляющими сферические грануян с разными размерами пор. Выбор размеров пор! в гранулах зависит от целей хроматографии (о других хроматографических методах будет ска­зано ниже).

Ультрацентрифугирование

Метод разделения также основан на разли­чии в молекулярных массах белков. Скорость седиментации веществ в процессе вращения в ультрацентрифуге, где центробежное ускорение достигает 100 000-500 000 g, пропорционально их молекулярной массе. На поверхность буфер­ного раствора, помещённого в кювету, наносят тонкий слой смеси белков. Кювету помешают в ротор ультрацентрифуги. При вращении рото­ра в течение 10-12 ч более крупные молекулы (с большей молекулярной массой) оседают в буферном растворе с большей скоростью. В ре­зультате в кювете происходит расслоение смеси белков на отдельные фракции с разной молеку­лярной массой (рис. 1-56). После расслоения белковых фракций дно кюветы прокалывают I иглой и по каплям собирают содержимое не- ' большими порциями в пробирки. 'Электрофорез белков

Метод основан на том, что при определен­иями -значении рН и ионной силы раствора бел-

ки двигаются в электрическом поле со скорос­тью, пропорциональной их суммарному заряду. Белки, имеющие суммарный отрицательный заряд, двигаются к аноду (+), а положительно заряженные белки — к катоду (—).

Электрофорез проводят на различных носи­телях: бумаге, крахмальном геле, полиакрила-мидном геле и др. В отличие от электрофореза на бумаге, где скорость движения белков про­порциональна только их суммарному заряду, в полиакриламидном геле скорость движения белков пропорциональна их молекулярным массам.

Разрешающая способность электрофореза в по­лиакриламидном геле выше, чем на бумаге. Так, при электрофорезе белков сыворотки крови че­ловека на бумаге обнаруживают только 5 главных фракций: альбумины, а,-глобулины, с^-глобули-ны, Р-глобулины и у-глобулины.Элек­трофорез тех же белков в полиакриламидном геле позволяет получить до 18 различных фракций. Для обнаружения белковых фракций полоски бумаги или столбики геля обрабатывают красителем (чаще всего бромфеноловым синим или амидовым чёр­ным). Окрашенный комплекс белков с красите­лем выявляет расположение различных фракций на носителе.

- Ионообменная хроматография

Так же как и электрофорез, метод основан на разделении белков, различающихся суммар­ным зарядом при определённых значениях рН и ионной силы раствора. При пропускании ра­створа белков через хроматографическую колон­ку, заполненную твёрдым пористым заряжен­ным материалом, часть белков задерживается на нём в результате электростатических взаи­модействий.

В качестве неподвижной фазы используют ионообменники — полимерные органические вещества, содержащие заряженные функцио­нальные группы.

Различают положительно заряженные анио-нообменники, среди которых наиболее часто используют диэтиламиноэтилцеллюлозу (ДЭАЭ-целлюлозу), содержащую катионные группы, и отрицательно заряженные катионообменники, например карбоксиметилцеллюлозу (КМ-цел-люлозу), содержащую анионные группы.

+,сн₂-сн₃

-0-CH₂-CH₂-N₄ "0-СН₂-СОО"

Н СН₂-СН₃

Диэтиламинэтилцеллюлоза Карбоксиметилцеллюлоза

Выбор ионообменника опреДСЛЯОТОЯ шридом выделяемого белка. Так, дли выделения ОТрИШ

тельно заряженного белка используют анионооб-менник. При пропускании раствора белка через колонку прочность связывания белка с анионо-обменником зависит от количества отрицательно заряженных карбоксильных групп в молекуле. Белки, адсорбированные на анионообменнике. можно смыть (элюировать) буферными раство­рами с различной концентрацией соли, чаще всего NaCI, и разными значениями рН. Ионы хлора связываются с положительно заряженными фун­кциональными группами анионообменника и I вытесняют карбоксильные группы белков. При низких концентрациях соли элюируются белки, слабо связанные с анионообменником. Постелен- I ное увеличение концентрации соли или измене­ние рН, что меняет заряд белковой молекулы, при водит к выделению белковых фракций, в одной из которых находится искомый белок. \/ Аффинная хроматография, или хроматография по сродству

Это наиболее специфичный метод выделения индивидуальных белков, основанный на изби­рательном взаимодействии белков с лигандами, прикреплёнными (иммобилизированными) к твёрдому носителю. В качестве лиганда может быть использован субстрат или кофермент, если выделяют какой-либо фермент, антигены для выделения антител и т.д. Через колонку, запол­ненную иммобилизованным лигандом, пропус­кают раствор, содержащий смесь белков. К ли-ганду присоединяется только белок, специфично взаимодействующий с ним; все остальные бел­ки выходят с элюатом (рис. 1-58). Белок, ад­сорбированный на колонке, можно снять, про­мыв её раствором с изменённым значением рН или изменённой ионной силой. В некоторых случаях используют раствор детергента, разры­вающий гидрофобные связи между белком и лигандом.

Аффинная хроматография отличается высо­кой избирательностью и помогает очистить вы­деляемый белок в тысячи раз.