บทความของเราจะทุ่มเทให้กับการศึกษาคุณสมบัติของสารที่เป็นพื้นฐานของปรากฏการณ์ชีวิตบนโลก โมเลกุลของโปรตีนมีอยู่ในรูปแบบที่ไม่ใช่เซลล์ - ไวรัสเป็นส่วนหนึ่งของไซโตพลาสซึมและออร์แกเนลล์ของเซลล์โปรคาริโอตและนิวเคลียส นอกจากกรดนิวคลีอิกแล้วยังก่อให้เกิดสารพันธุกรรม - โครมาตินและสร้างองค์ประกอบหลักของนิวเคลียส - โครโมโซม การส่งสัญญาณ การสร้าง ตัวเร่งปฏิกิริยา การป้องกัน พลังงาน - นี่คือรายการของหน้าที่ทางชีววิทยาที่โปรตีนดำเนินการ คุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของโปรตีนคือความสามารถในการละลาย ตกตะกอน และเกลือออก นอกจากนี้ พวกมันยังสามารถทำให้เสียสภาพและเป็นสารประกอบแอมโฟเทอริกตามลักษณะทางเคมีของพวกมัน มาสำรวจคุณสมบัติของโปรตีนกันต่อไป
ประเภทของโปรตีนโมโนเมอร์
กรดอะมิโน 20 ชนิดคือหน่วยโครงสร้างของโปรตีน นอกจากอนุมูลไฮโดรคาร์บอนแล้ว ยังมี NH2- หมู่อะมิโนและ COOH-กลุ่มคาร์บอกซิล กลุ่มหน้าที่กำหนดคุณสมบัติที่เป็นกรดและพื้นฐานของโปรตีนโมโนเมอร์ ดังนั้นในเคมีอินทรีย์ สารประกอบในกลุ่มนี้จึงเรียกว่าสารแอมโฟเทอริก ไฮโดรเจนไอออนของหมู่คาร์บอกซิลภายในโมเลกุลสามารถแยกออกและจับกับหมู่อะมิโนได้ ผลที่ได้คือเกลือภายใน หากมีหมู่คาร์บอกซิลหลายหมู่ในโมเลกุล สารประกอบนั้นจะเป็นกรด เช่น กรดกลูตามิกหรือกรดแอสปาร์ติก หากกลุ่มอะมิโนมีมากกว่า กรดอะมิโนจะเป็นเบสิก (ฮิสติดีน ไลซีน อาร์จินีน) ด้วยจำนวนหมู่ฟังก์ชันที่เท่ากัน สารละลายเปปไทด์จึงมีปฏิกิริยาเป็นกลาง เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการมีกรดอะมิโนทั้งสามชนิดส่งผลต่อลักษณะเฉพาะของโปรตีน คุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของโปรตีน: ความสามารถในการละลาย ค่า pH ประจุของโมเลกุลขนาดใหญ่ ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของกรดอะมิโนที่เป็นกรดและด่าง
ปัจจัยอะไรที่ส่งผลต่อความสามารถในการละลายของเปปไทด์
เรามาดูหลักเกณฑ์ที่จำเป็นทั้งหมดที่กระบวนการของการให้น้ำหรือการแก้ปัญหาของโมเลกุลโปรตีนขึ้นอยู่กับ เหล่านี้คือ: โครงสร้างเชิงพื้นที่และน้ำหนักโมเลกุล กำหนดโดยจำนวนของเรซิดิวกรดอะมิโน นอกจากนี้ยังคำนึงถึงอัตราส่วนของส่วนขั้วและส่วนไม่มีขั้ว - อนุมูลที่อยู่บนพื้นผิวของโปรตีนในโครงสร้างตติยภูมิและประจุรวมของโมเลกุลขนาดใหญ่ของโพลีเปปไทด์ คุณสมบัติทั้งหมดข้างต้นส่งผลโดยตรงต่อการละลายของโปรตีน มาดูกันดีกว่า
ลูกโลกและความสามารถในการให้น้ำ
ถ้าโครงสร้างภายนอกของเปปไทด์มีรูปร่างเป็นทรงกลม ก็เป็นเรื่องปกติที่จะพูดถึงโครงสร้างทรงกลมของมัน มีความเสถียรโดยพันธะไฮโดรเจนและไม่ชอบน้ำ เช่นเดียวกับแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตของส่วนที่มีประจุตรงข้ามกันของโมเลกุลขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น เฮโมโกลบินซึ่งนำโมเลกุลออกซิเจนผ่านเลือด ในรูปแบบควอเทอร์นารีประกอบด้วยไมโอโกลบินสี่ชิ้น รวมกันเป็นฮีม โปรตีนในเลือด เช่น อัลบูมิน α- และ ϒ-โกลบูลินทำปฏิกิริยากับสารในเลือดได้ง่าย อินซูลินเป็นอีกหนึ่งเปปไทด์ทรงกลมที่ควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและมนุษย์ ส่วนที่ไม่ชอบน้ำของสารเชิงซ้อนเปปไทด์ดังกล่าวตั้งอยู่ตรงกลางของโครงสร้างที่กะทัดรัด ในขณะที่ส่วนที่ชอบน้ำตั้งอยู่บนผิวของมัน สิ่งนี้ช่วยให้พวกเขารักษาคุณสมบัติดั้งเดิมในตัวกลางที่เป็นของเหลวของร่างกายและรวมเข้าเป็นกลุ่มของโปรตีนที่ละลายน้ำได้ ข้อยกเว้นคือโปรตีนทรงกลมที่สร้างโครงสร้างโมเสคของเยื่อหุ้มเซลล์ของมนุษย์และสัตว์ พวกมันเกี่ยวข้องกับไกลโคลิปิดและไม่ละลายในของเหลวระหว่างเซลล์ ซึ่งทำให้แน่ใจถึงบทบาทกั้นของพวกมันในเซลล์
ไฟบริลลาร์เปปไทด์
คอลลาเจนและอีลาสตินซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชั้นหนังแท้และเป็นตัวกำหนดความแน่นและความยืดหยุ่นของคอลลาเจนมีโครงสร้างเป็นใย พวกเขาสามารถยืดออกโดยเปลี่ยนการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ ไฟโบรอินเป็นโปรตีนไหมจากธรรมชาติที่ผลิตโดยตัวอ่อนไหม ประกอบด้วยเส้นใยโครงสร้างสั้นประกอบด้วยกรดอะมิโนที่มีมวลน้อยและมีความยาวโมเลกุล อย่างแรกเลยคือซีรีน อะลานีนและไกลซีน ของเขาโซ่โพลีเปปไทด์ถูกวางแนวในอวกาศในแนวตั้งและแนวนอน สารนี้เป็นของพอลิเปปไทด์ที่มีโครงสร้างและมีรูปแบบเป็นชั้นๆ ซึ่งแตกต่างจากโพลีเปปไทด์ทรงกลม ความสามารถในการละลายของโปรตีนที่ประกอบด้วยไฟบริลนั้นต่ำมาก เนื่องจากอนุมูลที่ไม่ชอบน้ำของกรดอะมิโนของมันอยู่บนผิวของโมเลกุลขนาดใหญ่และขับไล่อนุภาคตัวทำละลายที่มีขั้ว
เคราตินและคุณสมบัติของโครงสร้าง
เมื่อพิจารณาจากกลุ่มของโปรตีนโครงสร้างของไฟบริลลาร์ เช่น ไฟโบรอินและคอลลาเจน จำเป็นต้องอาศัยเปปไทด์อีกกลุ่มหนึ่งซึ่งกระจายอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ - เคราติน พวกเขาทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับส่วนต่าง ๆ ของร่างกายและสัตว์เช่นผม, เล็บ, ขนนก, ขนสัตว์, กีบและกรงเล็บ เคราตินในแง่ของโครงสร้างทางชีวเคมีคืออะไร? เป็นที่ยอมรับว่ามีเปปไทด์อยู่สองประเภท แบบแรกมีลักษณะเป็นเกลียวรองโครงสร้าง (α-keratin) และเป็นพื้นฐานของเส้นผม อีกอันหนึ่งแสดงด้วยเส้นใยชั้นที่แข็งกว่า - นี่คือβ-keratin พบได้ในส่วนแข็งของร่างกายสัตว์ เช่น กีบ จะงอยปากนก เกล็ดของสัตว์เลื้อยคลาน กรงเล็บของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและนกที่กินสัตว์อื่นเป็นอาหาร เคราตินคืออะไร บนพื้นฐานของความจริงที่ว่ากรดอะมิโน เช่น วาลีน ฟีนิลอะลานีน ไอโซลิวซีน มีสารอนุมูลอิสระจำนวนมาก? เป็นโปรตีนที่ไม่ละลายในน้ำและตัวทำละลายขั้วอื่นๆ ที่ทำหน้าที่ป้องกันและโครงสร้าง
ผลของ pH ของตัวกลางต่อประจุของโปรตีนโพลีเมอร์
ก่อนหน้านี้เราได้กล่าวไว้ว่ากลุ่มหน้าที่ของโปรตีนโมโนเมอร์ - กรดอะมิโนกำหนดคุณสมบัติของมัน ตอนนี้เราเสริมว่าประจุของพอลิเมอร์ก็ขึ้นอยู่กับพวกมันด้วย อนุมูลอิออน - กลุ่มคาร์บอกซิลของกรดกลูตามิกและแอสปาร์ติกและกลุ่มอะมิโนของอาร์จินีนและฮิสทิดีน - ส่งผลต่อประจุโดยรวมของพอลิเมอร์ พวกมันยังมีพฤติกรรมแตกต่างกันในสารละลายที่เป็นกรด เป็นกลาง หรือเป็นด่าง ความสามารถในการละลายของโปรตีนก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยเหล่านี้ด้วย ดังนั้น ที่ pH <7 สารละลายประกอบด้วยโปรตอนไฮโดรเจนที่มีความเข้มข้นมากเกินไป ซึ่งยับยั้งการสลายของคาร์บอกซิล ดังนั้นประจุบวกทั้งหมดในโมเลกุลโปรตีนจึงเพิ่มขึ้น
การสะสมของไอออนบวกในโปรตีนก็เพิ่มขึ้นเช่นกันในกรณีของสารละลายที่เป็นกลางและมีโมโนเมอร์อาร์จินีน ฮิสทิดีน และไลซีนมากเกินไป ในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง ประจุลบของโมเลกุลโพลีเปปไทด์จะเพิ่มขึ้น เนื่องจากไฮโดรเจนไอออนส่วนเกินถูกใช้ไปในการสร้างโมเลกุลของน้ำโดยการจับกลุ่มไฮดรอกซิล
ปัจจัยที่กำหนดความสามารถในการละลายของโปรตีน
ลองนึกภาพสถานการณ์ที่จำนวนประจุบวกและประจุลบบนเกลียวโปรตีนจะเท่ากัน ค่า pH ของตัวกลางในกรณีนี้เรียกว่าจุดไอโซอิเล็กทริก ประจุทั้งหมดของโมเลกุลขนาดใหญ่ของเปปไทด์จะกลายเป็นศูนย์ และความสามารถในการละลายในน้ำหรือตัวทำละลายชนิดมีขั้วอื่นๆ จะน้อยที่สุด บทบัญญัติของทฤษฎีการแยกตัวด้วยไฟฟ้าระบุว่าความสามารถในการละลายของสารในตัวทำละลายที่มีขั้วซึ่งประกอบด้วยไดโพลจะสูงขึ้น อนุภาคของสารประกอบที่ละลายจะมีโพลาไรซ์มากขึ้น พวกเขายังอธิบายปัจจัยที่กำหนดความสามารถในการละลายโปรตีน: จุดไอโซอิเล็กทริกและการพึ่งพาความชุ่มชื้นหรือการละลายของเปปไทด์ต่อประจุทั้งหมดของโมเลกุลขนาดใหญ่ โพลีเมอร์ส่วนใหญ่ของคลาสนี้มีกลุ่ม -COO- มากเกินไป และมีคุณสมบัติที่เป็นกรดเล็กน้อย ข้อยกเว้นจะเป็นโปรตีนเมมเบรนและเปปไทด์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสารนิวเคลียสของกรรมพันธุ์ - โครมาติน หลังนี้เรียกว่าฮิสโตนและมีคุณสมบัติพื้นฐานที่เด่นชัดเนื่องจากมีกลุ่มอะมิโนจำนวนมากในสายโซ่โพลีเมอร์
พฤติกรรมของโปรตีนในสนามไฟฟ้า
เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติ มักจะจำเป็นต้องแยกโปรตีนในเลือดออกเป็นเศษส่วนหรือโมเลกุลเดี่ยว ในการทำเช่นนี้ คุณสามารถใช้ความสามารถของโมเลกุลโพลีเมอร์ที่มีประจุเพื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่กำหนดไปยังอิเล็กโทรดในสนามไฟฟ้า สารละลายที่มีเปปไทด์ที่มีมวลและประจุต่างกันวางอยู่บนตัวพา: กระดาษหรือเจลพิเศษ โดยการส่งผ่านแรงกระตุ้นทางไฟฟ้า เช่น ผ่านส่วนหนึ่งของเลือดในพลาสมา จะได้รับโปรตีนแต่ละส่วนมากถึง 18 ส่วน ในหมู่พวกเขา: โกลบูลินทุกประเภทรวมถึงโปรตีนอัลบูมินซึ่งไม่เพียง แต่เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด (คิดเป็นสัดส่วนถึง 60% ของมวลเปปไทด์ในเลือด) แต่ยังมีบทบาทสำคัญในกระบวนการออสโมซิส และการไหลเวียนโลหิต
ความเข้มข้นของเกลือส่งผลต่อการละลายโปรตีนอย่างไร
ความสามารถของเปปไทด์ในการสร้างไม่เพียงแค่เจล โฟม และอิมัลชันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารละลายเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สะท้อนถึงลักษณะทางเคมีกายภาพของพวกมัน เช่น เคยเรียนอัลบูมินที่พบในเอนโดสเปิร์มของเมล็ดธัญพืช นม และซีรั่มในเลือดจะก่อตัวเป็นสารละลายที่เป็นน้ำอย่างรวดเร็วด้วยความเข้มข้นของเกลือที่เป็นกลาง เช่น โซเดียมคลอไรด์ ในช่วง 3 ถึง 10 เปอร์เซ็นต์ จากตัวอย่างอัลบูมินชนิดเดียวกัน เราสามารถค้นหาการพึ่งพาการละลายของโปรตีนต่อความเข้มข้นของเกลือ พวกมันละลายได้ดีในสารละลายแอมโมเนียมซัลเฟตที่ไม่อิ่มตัว และในสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวด พวกมันจะตกตะกอนแบบย้อนกลับได้ และด้วยความเข้มข้นของเกลือที่ลดลงอีกโดยการเติมน้ำส่วนหนึ่ง จะคืนสภาพเปลือกความชุ่มชื้นของพวกมัน
เค็มออก
ปฏิกิริยาเคมีที่อธิบายข้างต้นของเปปไทด์กับสารละลายของเกลือที่เกิดจากกรดและด่างอย่างแรงเรียกว่าการทำเกลือออก ขึ้นอยู่กับกลไกการทำงานร่วมกันของกลุ่มฟังก์ชันที่มีประจุของโปรตีนกับไอออนของเกลือ - ไอออนบวกของโลหะและแอนไอออนของกรดตกค้าง จบลงด้วยการสูญเสียประจุของโมเลกุลเปปไทด์ เปลือกน้ำที่ลดลง และการยึดเกาะของอนุภาคโปรตีน เป็นผลให้พวกเขาตกตะกอนซึ่งเราจะหารือในภายหลัง
ตกตะกอนและเสียสภาพ
อะซิโตนและเอทิลแอลกอฮอล์ทำลายเปลือกน้ำที่อยู่รอบๆ โปรตีนในโครงสร้างตติยภูมิ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ได้มาพร้อมกับการทำให้เป็นกลางของประจุทั้งหมด กระบวนการนี้เรียกว่าการตกตะกอน ความสามารถในการละลายของโปรตีนลดลงอย่างรวดเร็ว แต่ไม่ได้จบลงด้วยการเสียสภาพ
โมเลกุลของเปปไทด์ในสถานะดั้งเดิมนั้นไวต่อปัจจัยแวดล้อมหลายอย่าง เช่น ถึงอุณหภูมิและความเข้มข้นของสารเคมี: เกลือ กรดหรือด่าง การเสริมสร้างการกระทำของปัจจัยทั้งสองนี้ที่จุดไอโซอิเล็กทริกนำไปสู่การทำลายที่สมบูรณ์ของพันธะภายในโมเลกุลที่มีเสถียรภาพ (สะพานไดซัลไฟด์ พันธะเปปไทด์) พันธะโควาเลนต์และไฮโดรเจนในพอลิเปปไทด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะดังกล่าว เปปไทด์ทรงกลมเสียสภาพ ในขณะที่สูญเสียคุณสมบัติทางเคมีกายภาพและชีวภาพไปโดยสิ้นเชิง