3.13. Растворимость белков

Глобулярные белки сильно отличаются по своей растворимости в водном растворе. Эти различия используются для разделения белковых смесей. На растворимость влияют:

- рН;

- ионная сила (I);

- диэлектрические свойства (ε);

-температура (Т);

рН.

Практически для всех глобулярных белков характерна особенность: значение рН, при котором белок обладает наименьшей растворимостью, совпадает с его изоэлектрической точкой. Объясняется это тем, что в изоэлектрической точке молекула белка не несёт суммарного заряда и, следовательно, между соседними молекулами отсутствует электростатическое отталкивание. При значениях рН выше или ниже изоэлектрической точки все молекулы белка имеют суммарный заряд одного знака, вследствие чего они отталкиваются друг от друга, так что слипание в нерастворимые агрегаты оказывается невозможным. Некоторые белки в отсутствие солей практически нерастворимы при рН, соответствующем изоэлектрической точке.

Поскольку разные белки имеют разные изоэлектрические точки, то при достижении рН, соответствующего изоэлектрической точке одного из компонентов белковой смеси, этот компонент практически полностью выпадает в осадок, тогда как белки, изоэлектрические точки которых лежат при более низких или более высоких значениях рН, остаются в растворе. Метод разделения белков на основе данного свойства называется методом изоэлектрического осаждения.

Ионная сила.

На растворимость белков влияют концентрации солей. При низкой концентрации, соли повышают растворимость белков. Эффект не зависит от природы нейтральной соли, а зависит от ее концентрации и числа зарядов каждого из ионов, присутствующих в растворе. Соли, содержащие двухвалентные ионы, например, HgCl₂ , значительно эффективнее повышают растворимость белков, чем NaCl, KCl, NH₄Cl. Повышение растворимости белка вызывается изменением степени диссоциации, ионизируемых групп белка. В области малых концентраций добавление соли приводит к изменению рН соответствующей изоэлектрической точке и это тоже увеличивает растворимость. При значительном увеличении концентрации нейтральной соли растворимость белка снижается, и при очень высоких концентрациях соли белок полностью выпадает в осадок (высаливание). Разрушение гидратной оболочки ведет к высаливанию, т.к. ее образование улучшает растворимость.

Гидратация – это присоединение молекул Н₂О к другим веществам как в растворенном, так и в свободном состоянии. Это частный случай сольватации. Гидратация электролитов в растворе – это главная причина их диссоциации на ионы. Она обуславливает устойчивость ионов в растворе и затрудняет их объединение – ассоциацию. В разбавленных растворах энергия, выделяемая при взаимодействии ионов с Н₂О, компенсирует энергию диссоциации. Теплота гидратации ~10 – 10² ккал/г*ион.

Гидратацию характеризуют гидратационным числом. Это число молекул Н₂О, которые находятся во взаимодействии с ионами и составляют его гидратную оболочку. Гидратная оболочка влияет на подвижность ионов, коэффициент диффузии и т.д. В свою очередь вхождение воды в состав гидратных оболочек уменьшает концентрацию свободных молекул воды в растворе, а это влияет на растворимость в ней веществ, на активность воды в растворе, на вязкость воды, самодиффузию и другие свойства. Числа гидратации растут с ростом заряда и уменьшением размера иона.

В стабилизации гидратной оболочки существенную роль играют водородные связи. Гидратная оболочка может составлять приблизительно 20% массы. Следовательно, ее учет существенно влияет на определение гидродинамических констант. При формировании третичной структуры белка происходит маскирование функциональных групп. Из-за этого, когда мы рассчитываем заряд белковой молекулы как функцию рН, отнести заряд к ионизации отдельных групп без дополнительных исследований невозможно.

Многие ионы прочно связываются с ближайшими молекулами воды и образуют прочные агрегаты, которые в тепловом движении и при движении в электрическом поле ведут себя как отдельные частицы. Образование вокруг иона прочно удерживаемого слоя молекул воды называется первичной гидратацией. Этот слой характеризуется пониженной способностью молекул воды к трансляционному движению. Второй слой молекул воды, окружающий ион, притягивается к иону слабее и трансляционное движение молекул воды в нем существенно не отличается от движения в толще жидкости. Совокупность изменений, вызываемых ионом во втором слое и более удаленных слоях, называется вторичной гидратацией.

Гидратация наиболее ярко выражается у веществ и полиэлектролитов, у которых макромолекулы содержат СООН, СО, СНО и др. группы. Общее число молекул воды в оболочке уменьшается с возрастанием температуры и сильно зависит от природы иона. Наиболее высокое значение чисел гидратации у сульфанатов двухзарядных катионов с малыми кристаллохимическими радиусами (Mg²⁺).

Гидратация оказывает сильное влияние на термодинамику и кинетику реакций ионного обмена. Она является важнейшей причиной набухания высокомолекулярных соединений.