5. Химические свойства белков, их связь с выполняемыми белками функциями. Гидролиз белка, использование гидролизатов в медицине. Методы определения содержания белка в биологических жидкостях.

6. Физико-химические свойства белков: растворимость белков, ионизация и гидратация белковых молекул. Свойства белковых растворов, их использование в медицинской практике.

1. Молекулярная масса

Одним из важнейших параметров белковой молекулы является ее молекулярная масса. Этот показатель колеблется в широких пределах: нижней границей принято считать 5000 (иногда 6000) дальтон, верхний предел молекулярной массы достигает нескольких миллионов. Так, молекулярная масса инсулина равна 5.733 Д, миоглобина - 17.000 Д, гемоглобина человека - 64.500 Д, фибриногена - 330.000 Д, а глугаматдегидрогеназы -1000.000 Д.

Информация о молекулярной массе белков имеет практическое значение. Например, белки с молекулярной массой до 60.000 Д проникают в мочу из плазмы крови через почечный фильтр. При заболеваниях поджелудочной железы в кровяное русло поступает фермент - а-амилаза. Определение активности этого фермента в крови используется качестве диагностического теста при панкреатитах Однако нужно иметь в виду, что а-амилаза поджелудочной железы, имеющая молекулярную массу порядка 45 000 Д, проходит через почечный фильтр и определять ее активность можно не,только в крови, но и в моче, причем диагностическая ценность такого исследования ничуть не снижается.

2. Растворимость

Большинство, но далеко не все белки растворяются в воде. По своей растворимости белки могут быть разделены на 3 группы.

1. Гидрофильные белки, т.е. белки, растворимые в дистиллированной воде, водных солевых растворах с низкой ионной силой, полярных растворителях. В биологических системах они функционируют в водной фазе клеток или межклеточного матрикса, в плазме крови или в лимфе. Примерами таких белков могут служить гемоглобин, миоглобин, амилаза, пепсин.

2. Гидрофобные белки растворимы в аполярных растворителях, или в воде, но с добавлением мощных детергентов типа ТВИН или ТРИТОН Х-100. Эти белки, являясь интегральными компонентами клеточных мембран, функционируют в гидрофобном липидном бислое этих клеточных структур.

3. Белки, нерастворимые ни в воде, ни в аполярных растворителях; это белки типа кератина, коллагена или фиброина, они обычно образуют структурную основу органов и тканей.

3. Изоэлектическое состояние

Вступая в контакт с водой, ионногенные группировки белковой молекулы ионизируются, приобретая положительный или отрицательный заряд, например, - COO ~ или - NH₃⁺ При рН раствора 7,0, молекулы белка приобретают суммарный заряд: положительный, если в молекуле белка больше аминокислотных радикалов, несущих положительный заряд, или отрицательный, если в молекуле преобладают аминокислотные радикалы с ионизированными карбоксильными группами. Наличие суммарного заряда на молекуле приводит к ориентации окружающих ее молекул воды, которые представляют из себя диполи. Вокруг каждой белковой молекулы формируется гидратная оболочка, образованная молекулами воды, определенным образом ориентироэанных в пространстве, а причиной такого поведения молекул воды является суммарный заряд на каждой* белковой молекуле.

Гидратная оболочка состоит из одного, максимум - трех слоев молекул воды, причем эта структурированная вода отличается по свойствам от обычной воды: в ней не растворяются соли, она замерзает при более низкой температуре и др.

Гидратная оболочка и одноименный заряд на белковых молекулах препятствует их агрегации и выпадению в осадок, иначе говоря, оба эти фактора стабилизируют белковую молекулу в растворе.

Прочность гидратной оболочки в значительной мере определяется величиной суммарного заряда, который изменяется при изменении рН. Для любого белка может быть подобрано такое значение рН, при котором сумма положительно и отрицательно заряженных группировок будет равна, т.е. суммарный заряд белковой молекулы будет равен нулю. Такое состояние белка носит название изозлектрического состояния, а значение рН, при котором молекулы данного белка находятся в изоэлектрическом состоянии, носит название изоэлектрической точки для данного белка или сокращенно pi. В изоэлектрической точке снижается устойчивость молекул белка в растворе.

4. Молекулы белка, несущие заряд, будут передвигаться в электрическом поле, причем скорость их движения будет прямо пропорциональна величине суммарного заряда на молекуле и обратно пропорциональна размерам молекулы, или, молекулярной массе молекулы. Эти различия в скорости движения молекул в электрическом поле, используются на практике для разделения смесей белков на индивидуальные компоненты. Группа методов, работающих на этом принципе, известна под названием методов электрофореза.

Электрофорез белков плазмы крови или сыворотки крови нашел широкое применение в медицинской практике в качестве важного диагностического теста, поскольку соотношение отдельных белковых фракций сыворотки крови изменяется при различных заболеваниях достаточно закономерным образом.

5. Молекулы белков вследствие своих больших размеров не способны проходить через полупроницаемые мембраны,

которые могут быть использованы для разделения белков и низкомолекулярных компонентов. Такой метод разделения известен под названием диализ. Диализ нашел применение в медицине в качестве метода освобождения крови или плазмы крови от токсических низкомолекулярных примесей - токсичных продуктов обмена веществ или лее экзогенных ксенобиотиков. В частности, на этом принципе работает аппарат "искусственная почка".6. Водные растворы белков опалесцируют, т.е. в проходящем свете они прозрачны, а в отраженном свете слегка мутноватые. Показатель преломления пропорционален концентрации белка в растворе. Это свойство белковых растворов широко используется в рефрактометрическом методе определения концентрации белка.

7. Растворы белка поглощают ультрафиолетовые лучи. Это поглощение максимально в двух зонах спектра: при 260 - 280 нм и при 190-210 нм. Интенсивное поглощение в первой зоне обусловлено наличием в белках остатков ароматических кислот: Фен, Тир, Три, поглощение же в зоне 180 - 210 нм обусловлено наличием в белках пептидной группы. Измерение интенсивности поглощения в указанных диапазонах так же используется для определения концентрации белка в растворе, в особенности этот метод используется, когда важна точность определения, а не быстрота выполнения исследования.

8. Белковые растворы обладают оптической активностью, обусловленной как наличием ассимметрических атомов углерода в радикалах аминокислот, так и присутствием в пространственной структуре ассимметрических элементов типа а-спиралей. Растворы глобулярных белков вращают плоскость поляризованного луча обычно влево.

9. ОСАЖДЕНИЕ БЕЛКА СОЛЯМИ

Белки могут быть осаждены из водных растворов различными способами: без изменения и с нарушением их нативной структуры.

Осаждение белка из раствора с сохранением его нативной конформации, а, следовательно, и его свойств, в том числе и биологических, можно провести с помощью нейтральных солей сильных минеральных кислот и сильных оснований: NaCl, KC1, (NH-^feSOt, Na₂SO₄ и др.

Механизм этого явления, известного под названием высаливания, заключается в следующем. Добавленные к раствору белка соли ионизируются. Плотность заряда на единицу объема у ионов значительно выше, чем у молекул белка, в связи с чем диполи воды более эффективно взаимодействуют с ионами солей нежели с молекулами белка, ионы соли связывают не только свободную воду, но и отнимают молекулы воды из гидратных оболочек белковых молекул. Кроме того, ионы солей взаимодействуют с ионизированными группировками на поверхности белковых молекул, уменьшая величину суммарного заряда на белковой молекуле. В результате белковые молекулы, сталкиваясь друг с другом в результате броуновского движения, агрегируют и выпадают в осадок. Легче всего белки подвергаются высаливанию при значениях рН, близких к значению их изоэлектрической точки.

Поскольку осаждение не сопровождается изменением структуры белковых молекул и нарушение их свойств, осажденный белок может быть вновь переведен в раствор, достаточно лишь убрать ионы солей, например, путем диализа.

Такой способ осаждения широко используется в биохимической практике, так как различные белки выпадают в осадок при разной концентрации какой-либо соли, что создает принципиальную возможность для разделения смеси белков на индивидуальные компоненты, в том числе при получение ферментов, используемых в качестве лекарственных препаратов.

Белки, осажденные с помощью высоких концентраций нейтральных солей, часто могут длительно храниться в этих концентрированных растворах без потери биологических свойств. Для повышения их стабильности они хранятся при низких температурах, что следует учитывать и при хранение белковых лекарственных препаратов.