Белки как коллоидные растворы

Химические свойства белков нельзя непосредственно соот­нести с химическим строением их полипептидной цепи. Они определяются структурной организацией макромолекул белков.

Рассмотрим некоторые свойства белков как коллоидных растворов. Для белков характерен электрофорез (см. параграф 7.3). Способность белков к электрофорезу означает, что макро­молекула белков образует двойной электрический слой (см. рис. 7.2). Заряд потенциалобразующего слоя определяется свойства­ми макромолекул белка как полиэлектролита.

Длинная полипептидная цепь белка [в формуле (20.1) пока­заны только две полипептидные связи, фактически их сотни] на концах имеет только две ионизированные группы молекул. В бо­ковых же группах полипептидных цепей макромолекул белков находится большое число ионогенных групп, которые способны диссоциировать в воде по следующей схеме:

(20.2)

-R-COOH 7^ -R-COO +H⁺,

^1-r-nh;+oh\ (20.3)

Именно боковые группы макромолекул создают условия для образования ДЭС.

Знак и значение электрических (ф-потенциала и ^-потенциала будут определяться свойствами среды. При избытке кислоты, т.е. в кислой среде, подавляется диссоциация карбоксильных групп; равновесие реакции (20.2) смещается в левую, а равновесие ре­акции (20.3) — в правую сторону. Макромолекулы белка будут нести избыточный положительный заряд и становятся поликатионами, ^-потенциал становится больше нуля (£ > 0), а при электрофорезе макромолекулы белка будут двигаться к катоду (рис. 20.3).

В щелочной среде, при избытке анионов ОН" подавляется диссоциация основных групп, равновесие реакции (20.3) смеща­ется в левую сторону, а равновесие реакции (20.2) — в правую. Макромолекула белка приобретает отрицательный заряд (£ < 0) и превращается в полианион. Структура ДЭС будет соответство­вать случаю, изображенному на рис. 7.3. При электрофорезе макромолекулы белков двигаются к аноду (см. рис. 7.5). Подоб­ными свойствами обладают макромолекулы крахмала и гуммиа­рабика.

Рис. 20.3. Структура ДЭС (а) и электрофорез белка (б) в случае подавления диссоциации карбоксильных групп

Макромолекулы различных белков отличаются друг от друга числом ионизированных групп, структурой двойного слоя, а следовательно, знаком и (или) значением С-потенциала. В связи с этим они обладают различной электрофоретической подвижностью (см. параграф 7.4), что и дает возможность разделять их между собой под действием внешнего электрического поля т е при помощи электрофореза.

Величина и знак заряда белков, находящихся в растворе, зависит от рН среды. Это обстоятельство обусловлено неодинаковым числом ионогенных групп -СООН и NH₃. Так, например, у таких белков, как казеин, желатин, альбумин и некоторых других, в водных растворах кислотные группы превалируют над основными и рН раствора будет < 7. Преобладание щелочных групп (-NH₃) и рН > 7 наблюдается в растворах таких белков, как глиадин пшеницы, проламин и др.

При помощи рН среды можно изменять ионизирующую спо­собность макромолекул белков. Константы диссоциации кислот­ных и основных групп белков не совпадают. По этой причине число диссоциированных основных и кислотных групп макро­молекул белка может быть одним и тем же только при опреде­ленном значении рН среды. Такое состояние соответствует изо-электрической точке (ИЭТ), т.е. значению рН среды, при кото­ром число ионизированных основных групп равно числу иони­зированных кислотных групп.

В ИЭТ противоионы полностью компенсируют заряд потен­циалобразующего слоя (см. рис. 7.4), и ^-потенциал становится равным нулю.

ИЭТ белков лежит в пределах рН от 2 (у пепсина) до 10,6 (у цитрохрома С), но преимущественно ИЭТ белков соответствует рН < 7. ИЭТ некоторых белков достигается при следующих зна­чениях рН_и; пепсина (фермент желудочного сока) — 2,0; казеи­на (белок, образующийся при свертывании молока) — 4,6: аль­бумина яйца — 4,8; карбоксигемоглобина - 6,87; химотрипсина (фермент сока поджелудочной железы) — 8,6.

Рис. 20.4. Зависимость конформационного состояния макромолекулы белка (7), коэффициента вязкости г\ и степени набухания а (2) от рН среды: / и // — соответственно области меньше и больше изоэлектрической точки (ИЭТ)

/Л/\_ Р^н рН водного раствора бел-

c^i ^^^ j ков определяет конформа-ционное состояние их мак­ромолекул, которое в свою очередь влияет на такие свойства этих растворов как вязкость и набухание. Обратимся к рис. 20.4.

При значении рН, равном или близком к ИЭТ, разноименно заряженные группы NH⁺₃ и СОО~ могут притягиваться друг к другу и закручивать макромолекулу в клубок и даже в глобулу (ИЭТ рис. 20.4). При рН, смещенном по отношению к ИЭТ, подавляется диссоциация некоторых из функциональных групп; в кислой среде [см. уравнение (20.2)] — карбоксильных групп, а в щелочной среде — аминогрупп [см. уравнение (20.3)]. В результате остаются одноименно заряженные группы молекул, которые отталкиваются, вследствие чего макромолекулы выпрямляются (области /или II).

В ИЭТ свойства растворов белков изменяются. Свертывание макромолекул в клубок снижает вязкость раствора до минимального значения (кривая 2).

После выпрямления макромолекулы (области / или II) оказывают большее сопротивление течению жидкости и коэффициент вязкости г\, а следовательно и вязкость растут. Такую же зависимость от рН среды имеет и степень набухания а. В ИЭТ некоторые белки имеют наименьшую растворимость и максимальную способность к рассеянию света.

Электрофоретическая подвижность, которая определяет ско­рость электрофореза и рассчитывается по формуле (7.16), зави­сит от заряда макромолекул и ^-потенциала. Изменяя свойства среды, можно регулировать ионизирующую способность белков, изменять отруктуру двойного слоя и значение ^-потенциала — тем самым регулировать скорость электрофореза; это создает до­полнительные возможности для разделения смеси белков при по­мощи электрофореза.

Для получения белков из их смеси необходимо прежде всего освободиться от низкомолекулярных соединений. Для этой цели используют диализ (см. рис. 12.7, в). Крупные макромолекулы белков остаются в емкости, а через полупроницаемую перего­родку проходят низкомолекулярные примеси.

Белки как ВМС

Белки являются ВМС. Лпофильность (гидрофильность) бел­ков определяет их способность к поглощению жидкости (воды), набуханию и образованию студней (см. параграфы 19.4 и 19.5).

Набухший в воде белок пшеничной муки образует клейковину. Студни из клейковины обладают свойствами как твердого тела, так и жидкости.

Набухание белков как и других ВМС, идет в две стадии (см. рис. 19.5). Проникновение воды в макромолекулы обусловлено выравниванием концентрации (концентрация воды в растворе значительно выше по сравне­нию с ее концентрацией в макромолекулах). Подобный процесс проникновения воды принято называть осмотическим. Поскольку обратный процесс исключен, т.е. переход воды из макромолекул белков в раствор, то поглощенная белком вода оказывается осмотически связанной, а ее доля достигает 75% по отношению к массе белка.

Образование студня и его синерезис имеют место при свертывании крови. Под действием фермента растворимый фибриноген превращается в нерастворимый фибрин, одновременно расщепляются несколько пептидных связей и оголяются активные центры. В результате взаимодействия между ними образуются структура и студень, а затем быстро наступает синерезис.

Протоплазма, в состав которой входят белки, является подвижным тиксотропным студнем, обладающим способностью к расслаиванию. На основании этих процессов реализуются функциональные свойства клеток.

Белки способны образовывать пену. Их пенообразующая способность широко используется при изготовлении многих кондитерских изделий.

Растворы белков обладают теми же коллоидно-химическими свойствами, что и растворы ВМС (светорассеяние, осмос, диф­фузия и др.). Коэффициент диффузии белков колеблется в пре­делах (0,Ы0)10-^п м²/с

Белкам присущ ряд специфических коллоидно-химических свойств. Под действием различных физических и химических факторов происходит изменение структуры макромолекул белка и свойств его растворов. К числу таких изменений относится де­натурация.

Денатурация макромолекул белков (см. рис. 20.2), находящихся в нативном состоянии, связана с нарушением конформации по­липептидной цепи и их внутримолекулярного взаимодействия без разрыва полипептидных связей. В результате снижается или даже утрачивается биологическая активность белка, может увеличи­ваться вязкость раствора белка и снижаться его растворимость.

Особое практическое значение имеет денатурация белков при термической обработке. Типичным примером этого является денатурация белков яиц в кипящей воде и их дальнейшее зат­вердение. Тепловая денатурация белка наблюдается в хлебопе­чении, в процессе варки мяса и рыбы. Денатурация белка может достигаться механическим путем.

Денатурация происходит также в процессе сбивания яичного белка со сливками и превращения его в пену (денатурация белков протекает на границе раздела фаз). Тонкие жидкие прослойки пены (см. рис. 16.2 и 16.3) нарушают укладку полипептидных цепей, происходит их развертывание, которое сопро­вождается разрывом водородных связей в процессе сбивания, т.е. в результате механического воздействия.

Денатурация может быть кислотной; при скисании молока, например, образуются кислоты, которые разрушают слабые водородные связи внутри

макромолекул белка. В результате макромолекулы распрямляются, изменяется их форма, а с нею и свойства белка.

Таким образом, несмотря на различие факторов воздействия, механизм денатурации один и тот же; он включает в себя разрыв слабых связей внутри макромолекул и разрушение нативной структуры белка. По этой причине денатурация проявляется в отношении глобулярных белков, макромолекулы которых име­ют форму клубка или глобул (см. рис. 20.2). Образованию студ­ней у глобулярных белков предшествуют денатурация и вытяги­вание макромолекул.

Денатурация — не единственное характерное свойство бел­ков. Растворы белков, как и растворы ВМС, являются лиофиль-ными, а следовательно, термодинамически устойчивыми систе­мами. Под действием электролитов устойчивость растворов бел­ков нарушается, и может происходить выпадение в осадок ра­створенного белка.

Заряд белков обусловлен химической природой макромоле­кул как полиэлектролитов ц свойствами жидкой среды, способ­ной изменять величину и знак двойного электрического слоя (см. рис. 20.3).

Процесс оседания растворенного белка называют высалива­нием. Для высаливания белков необходимы более высокие кон­центрации электролитов по сравнению с коагуляцией золей (см. параграф 10.6). Так, яичный альбумин выпадает в осадок из ра­створа под действием полунасыщенного раствора сульфата ам­мония (NH₄)₂S0₃, а яичный глобулин — уже при полном насы­щении этого раствора.

В результате высаливания образуются волокна, хлопья или творожистый осадок. Вщсаливание связано с разрушением сольватной (гидратной) оболочки, окружающей макромолекулы ВМС (см. рис. 19.5 и 19.6). Полярные молекулы растворителя, образующие связанную воду, взаимодействуют с электролитами. Сольватная оболочка разрушается, и происходит процесс, обратный сольвата­ции, называемый высаливанием, или десольватацией. Интенсивность процесса высаливания определяется степенью сольватации макромолекул ВМС, структурой сольватной оболочки белка и свойствами электролитов.

По конечному результату высаливание похоже на денатурацию — и в том и в другом случае образуется осадок. Существенное отличие заключается в механизме процесса; денатурация необратима, а высаливание обратимо.

Иногда эти процессы выступают в совокупности, что имеет место при дублении кожи. Дубление заключается в обработке кожи дубящими веществами, в состав которых входит таннин, диффузии их в кожу и в разрушении сольватной оболочки (высаливание) с разрывом слабых связей внутри макромолекул белков кожи (денатурация). В последующем между макромолекулами белка образуются новые прочные связи, под действием которых волокнистые макромолекулы кожи сшиваются дубителем, и образуется структура.

Высаливание отличается от коагуляции. При коагуляции происходит сжатие диффузного слоя. Коагуляция происходит тогда, когда значение ^-потенциала золя равно нулю или близко к нему. Высаливание и выпадение осадка белка обусловлено снижением его растворимости в концентрированном растворе

электролита. Высаливание в отличии от коагуляции не подчиняется теории ДЛФО и является обратимым процессом. Белки, выделяющиеся в качестве самостоятельной фазы в процессе высаливания, затем, после удаления элект­ролитов, могут вновь образовать раствор.

Высаливание наблюдается и для других ВМС, макромолекулы которых имеют сольватные (гидратные) оболочки. Высаливание из водных растворов ВМС может происходить не только в присутствии электролитов, но и под действием органических веществ (некоторых спиртов, ацетона и др.). Эти вещества при взаимодействии с водой гидролизуются, разрушают гидратную оболочку, снижают растворимость ВМС и способствуют образованию осадков, т.е. высаливанию. Путем добавления спирта к водному раствору, состоящему из смеси различных белков, можно осуществить их разделение. Сначала из смеси выпадают в осадок белки с относительно большой молекулярной массой в связи с тем, что белки с большей молекулярной массой, как и другие ВМС, раство­ряются хуже. По мере добавления новой порции спирта к водному раствору белков будут выпадать в осадок белки с относительно меньшей молекулярной массой.

При высаливании белков и других ВМС иногда наблюдается образование капель новой жидкой фазы, называемой коацерватом. Сам процесс выделения из раствора новой жидкой фазы, обогащенной ВМС, называется коацервацией.

Причина коацервации заключается в способности некоторых ВМС (и белков в том числе) образовывать в растворе ассоциаты, состоящие из нескольких макромолекул. При достижении определенных размеров и достаточной стабильности эти ассоциаты затем могут формировать новую фазу.

Коацервация может происходить при понижении температуры и не сопровождаться высаливанием. Впоследствии отдельные капли соединяются в более крупные агрегаты, и образуется слой с повышенным содержанием ВМС, способный к застудневанию.

В заключение отметим, что уникальное значение белков в жизни всех организмов подчеркивается их называнием «протеи­ны» (от греческого слова «первый»). Белки являются необходи­мым и неизменным компонентом пищи. Шелк и шерсть — это природные белковые волокна. С обработкой белков непосред­ственно связана технология производства желатина, медицинс­ких препаратов (гормонов, антисывороток и др.), а косвенно — самых различных пищевых масс.

Глава 21

КОЛЛОИДНЫЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Коллоидные ПАВ обладают комплексом уникальных повер­хностных и объемных свойств. Растворы коллоидных ПАВ спо­собны образовывать кристаллы и эмульсии, смачивать поверх­ности, удалять загрязнения, сообщать продукции необходимые технологические свойства, улучшать товарный вид и увеличи­вать сроки хранения. Причем их действие проявляется при не­больших концентрациях, составляющих порой сотые доли про-

цента. Умелое применение коллоидных ПАВ в промышленнос­ти позволяет интенсифицировать технологические процессы, повышать качеств по выпускаемой продукции, экономить сы­рье и энергетические ресурсы.