Белки и нуклеиновые кислоты

Гидрофильные свойства белков, т.е. их способность образовывать студни, набухать имеет большое значение в биологии и пищевых производствах. Очень подвижным студнем, является цитоплазма – полужидкое содержимое клетки, хрусталик глаза и т.д. Типичным белковым сильногидраторованным гелем является пшеничная клейковина, она содержит около 66% воды. Гидрофильные, водоудерживающие свойства продуктов необходимо так же учитывать при замораживании и размораживании мяса, овощей, фруктов, что бы сохранить, не ухудшить их качество. Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и переработке зерна (кондиционирование, прорастание зерна) и хлебопечении. Студни используются в процессе приготовления различных заливных блюд.

Если у белковых глобул отнять гидратную  оболочку, то частицы белка начнут слипаться, образуя ассоциации частиц белка, и осядут. В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью связывать воду, поэтому их легче осаждать. Агрегация белковых молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей – например спиртом и ацетоном. Молекулы этих веществ, являясь более гидрофильными, чем молекулы белка, образуют собственные гидраты с водой, оттягивая воду от белка, лишая их водной оболочки способствуют агрегации белка.

Обезвоживание белков можно проводить  путем добавления нейтральных растворов солей высокой концентрации. Этот процесс называют высаливанием. Осаждающая способность соли зависит от размеров катиона и аниона, а так же от величины их заряда. Катионы и анионы по высаливающей способности можно расположить в ряды, в которых эта способность убывает.

Катионы: Cs⁺, Rb⁺, K⁺, Na⁺, Li⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Co²⁺, Mg²⁺.

Анионы: SO₄^-2, CL^-, Br, NO₃^-, J^-, CNS^-, Mg ²⁺.

Эти ряды называются лиотропными рядами. Высаливающее действие объясняется  тем, что при высокой концентрации ионов в растворе белка, они оттягивают на себя от молекул белка поляризованные молекулы воды и тем самым лишают белок гидратной оболочки, которая препятствует осаждению белка. Метод высаливания используется для разделения и получения в очищенном виде белков и ферментов.

При добавлении растворов нейтральных  солей  (Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄, MgSO₄ и др.) небольших концентраций, растворимость белков в воде возрастает. Растворению белков, как и других веществ, способствуют те факторы, которые уменьшают взаимодействие между молекулами растворяемого вещества. Нейтральные соли в малых концентрациях увеличивают степень диссоциации ионизированных групп белковых молекул и тем самым уменьшают белок-белковое взаимодействие. Известно, что степень диссоциации электролитов ( в том числе белков) прямо пропорциональна диэлектрической постоянной растворителя, которая в свою очередь пропорциональна степени поляризации молекул растворителя, их дипольному моменту. Нейтральные соли в малых концентрациях еще больше увеличивают диэлектрическую постоянную воды. В результате вода усиливает диссоциацию растворенного вещества, в частности белка. Входя между заряженными группами и ориентируясь вокруг них, диполи воды препятствуют их взаимодействию.

Растворимость белков зависит так  же  от рН растворителя, его состава, температуры. Минимальной растворимостью обладают белки в ИЭТ, что объясняется  отсутствием электростатического  отталкивания между молекулами белка.

Белки способны образовывать высококонцентрированные  системы жидкось-газ-пены. В качестве традиционных пенообразователей используют белки сыворотки крови, молока, которые  подвергают вначале гидролизу, а  затем сушат на распылительных сушках. Устойчивость пены, в которой белок является пенообразователем зависит от его природы, концентрации и температуры.

Белки в качестве пенообразователей  играют важную роль при образовании пены в пиве. В кондитерской промышленности это свойство белков используется при выработке пастилы, зефира, суфле. Структуру пены имеет хлеб и это влияет на его органолептические и структурно-механические свойства.

Благодаря гидрофильным и гидрофобным  группировкам белки являются поверхностно-активными веществами и могут влиять на растворимость других веществ. Они выступают в роле эмульгаторов – веществ, стабилизирующих эмульсию, которую образуют взаимнонерастворимые жидкости (вода-жир). В организме человека в эмульгированном состоянии находятся жиры в крови и лимфе. Молоко представляет собой эмульгированные казеиногеном капельки жира в воде. Белки в качестве эмульгаторов находят применение в пищевой промышленности при производстве майонезов, кондитерских изделий, кремов, шоколада и т.п.

10. Выделение белков и установление их однородности.

Выделение белков из биологических  тканей проводят после тщательного измельчения исследуемого материала, вплоть до разрушения клеточной структуры. Разрушают клетки механическим путем, растирая ткань с песком в ступке или в гомогенизаторе. Существуют и другие методы, например поочередное замораживание и оттаивание, обработка ультразвуком.

На всех этапах выделения и очистки  белков следует учитывать их большую  способность к потере природных, нативных свойств, т.е. к денатурации.

В большинстве случаев процесс разрушения клеток сопровождается выделением тепла, поэтому с целью предотвращения тепловой денатурации все операции следует проводить при пониженных температурах (около +4°С) в термостатированных холодных комнатах.

Современные методы измельчения тканей обычно сочетают с одновременной экстракцией белков из гомогенатов тканей. В качестве растворителей используют 8-10% растворы солей, различные буферные растворы, органические растворители (спирт, ацетон и т.п.), а так же неионные детергенты –вещества, разрушающие гидрофобные взаимодействия между белками и липидами и между белковыми молекулами.

После достижения полной экстракции белков, приступают к разделению-фракционированию смеси белков на индивидуальные белки. Для этого применяют различные методы: высаливание, осаждение органическими растворителями, хроматографию, электрофорез.

При выделении и очистке белков используют четыре основных вида хроматографии: адсорбционную, распределительную, ионообменную и аффинную (хроматографию по сродству). В адсорбционной хроматографии разделение компонентов смеси основано на их различной сорбируемости на твердом адсорбенте. В качестве  адсорбентов используют активированный древесный уголь, оксиды алюминия или кремния. Адсорбент в виде суспензии с растворителем (чаще всего буферным раствором) вносят в колонку и равномерно утрамбовывают. Исследуемый образец в небольшом объеме растворителя вносят в колонку. Компоненты разделяемой смеси адсорбируются на адсорбенте. Затем приступают к десорбции компонентов из колонки, используя подходящие элюенты. Сбор фракций осуществляют при помощи автоматического коллектора фракций.

При распределительной хроматографии  твердая фаза служит только опорой (основой) для стационарной жидкой фазы. Разновидностью распределительной хроматографии является хроматография на бумаге. В качестве стационарной фазы при этом служит вода, адсорбированная целлюлозными цепями фильтровальной бумаги. Образец наносят в виде капли (пятна) на одном конце бумажной полосы , этим же концом бумагу погружают в подходящую смесь органических растворителей (например, бутанол, уксусная кислота, вода в определенных соотношениях). При движении растворителя по бумаге благодаря силе капиллярности происходит разделение компонентов смеси. Проявленную хроматограмму высушивают, а местоположение каждого из разделяемых веществ определяют химическими или физико-химическими методами.

В ионообменной хроматографии в  зависимости от заряда разделяемых  белков используют подходящую ионообменную смолу (катионит или анионит) с функциональными группами которой обмениваются и задерживаются на колонке часть белков, в то время как другие белки беспрепятственно элюируются из колонки. Связанные с ионообменной смолой белки, отделяют, применяя более концентрированные солевые растворы или изменяя рН элюента.

Аффинная хроматография основана на принципе избирательного взаимодействия белков (или других молекул) с закрепленными на носителе специфическими веществами – лигандами, которыми могут быть субстраты или коферменты (если выделяется какой-либо фермент) и т.д. Благодаря высокой специфичности белков к иммобилизованному (закрепленному) лиганду, к нему присоединяется только один какой-либо белок из смеси. Снятие с колонки этого белка осуществляется подобранными специальными элюентами.

В гель-хроматографии в качестве стационарной фазы используют гель в виде крошечных гранул, так что такую стационарную фазу можно рассматривать как молекулярные сита. Гранулы геля изготовлены из полимера со сшитой структурой, подобной ситу. В качестве такого полимерного материала используются или сшитая агароза, или декстран (полисахарид), или сшитый полиакриламид. В водной среде полимерный материал сорбирует воду и набухает, превращаясь в гелеподобные гранулы, сохраняющие пористую структуру, причем размер пор такого набухшего материала определяется степенью сшивки полимера. Нанесенные на колонку соединения (в виде раствора в подвижной фазе) начинают взаимодействовать с гранулами геля, проникая в объем гранул через поры, что замедляет движение растворенного вещества по колонке. Молекулы небольшого размера лучше задерживаться на колонке, поскольку легче проникают в объем гранул и распределяются там. Молекулы с размерами, большими, чем размеры пор, совсем не будут проникать внутрь гранул, они первыми вымываются из колонки.

Результаты хроматографического разделения представляются графически в виде зависимости измеряемого свойства (поглощение в УФ области и т.п.) от объема элюата, вышедшего из колонки. Пики на таком графике соответствуют выходу индивидуальных белков. Если при разделении получается только один пик, это указывает на чистоту исходного препарата, нанесенного на колонку.

Свойство белков приобретать определенной величины заряд при данном значении рН раствора нашло широкое применение для их разделения методом электрофореза. Электрофорез основан на передвижении заряженной частицы в электрическом поле. Движение ее происходит в жидкой среде, которая удерживается инертным твердым носителем, например, полоской бумаги, гелевой пленкой из крахмала, полиакриламида, декстрона и т.д.

При постоянном напряжении движение заряженной молекулы белка определяется отношением заряда к ее размеру:

m =¦ (Q/r)

где Q-суммарный заряд белковой молекулы;

        r-радиус молекулы.

С увеличением этого отношения  подвижность молекулы растет. Так  как  каждый белок имеет свою определенную величину Q/r, скорость перемещения различных белков в электрическом поле будет различной. Электрофорез используется для разделения белков и определения их молекулярных масс.

Применение в определенной последовательности выше перечисленных методов позволяет получить белок в очищенном состоянии, не лишенный, однако, некоторых примесей солей. Для полного очищения белков от низкомолекулярных примесей используются методы диализа, кристаллизации, гельхроматографии и ультрафильтрации.

Является ли полученный белковый препарат индивидуальным белком или смесью имеет  важное значение. Всегда можно ожидать, что в составе изолированного белка есть примесь других белков; это  может привести к неправильным выводам о свойствах исследуемого белка. Поэтому большое внимание уделяется оценке гомогенности – однородности белков. Критерием чистоты белков служат следующие показатели: получение белка в кристаллическом состоянии; дальнейшая неразделяемость при электрофорезе и ультрацентрифугировании; независимость растворимости от количества твердой фазы; постоянство аминокислотного состава; определенный молекулярный вес; для многих белков – постоянство специфических биологических свойств (ферментативная активность, гормональная активность и т.д.)

11. Классификация белков.

Белки в зависимости от химического  строения делят на простые и сложные. Простые белки при гидролизе  распадаются только на аминокислоты. При гидролизе сложных белков наряду с аминокислотами образуется вещество небелковой природы – простетическая группа. Классификация простых белков основана на их растворимости.

 Альбумины – водорастворимые  белки с высокой гидрофильностью,  выпадают в осадок при 100%-ом  насыщении сульфатом аммония.  К этим белкам относятся белок  куриного яйца, белки зародыша  семян злаковых и бобовых культур. Альбумин пшеницы называют лейкозин, гороха – легумелин. Альбумины содержат все незаменимые аминокислоты.

Глобулины – растворяются в солевых  растворах, чаще всего для извлечения глобулинов используют 2 –10%-ый раствор хлорида натрия. Они осаждаются 50%-ым раствором сульфата аммония. Белки семян бобовых и масличных культур в основном представлены глобулинами; легумин – гороха и чечевицы, фазеолин – фасоли; глицин – соевых бобов. Многие альбумины и глобулины обладают ферментативным действием.

Проламины. Эта группа белков характерна исключительно для семян злаков. Эти белки растворяются в 60-80%-ом растворе этилового спирта. Эти белки содержат значительные количества пролина и глютаминовой кислот. Лизина они не содержат или содержат его в следовых количествах. Хорошо изучены проламины пшеницы – глиадины, ячменя – гордеин, кукурузы – зеин. Проламины – это комплексы белков различающиеся по составу и молекулярной массе.

Глютелины находятся, как правило, с проламинами. Растворяются они  в щелочах (чаще 0,2%-ым NaOH). Глютелины не однородные белки, а смеси разных белков со сходными свойствами. Наиболее исследованы глютелин пшеницы, орезенин риса.

Глютенин и глиадин пшеницы  образуют комплекс, который называют клейковиной. Клейковина муки влияет на структурно-механические свойства теста, а, следовательно на качество хлеба.

Протамины – самые низкомолекулярные  белки. Встречаются эти белки  в молоках рыб. На 2/3 эти белки  состоят из аргинина, поэтому имеют  основной характер. Протамины не содержат серы.

Гистоны – содержаться в хромосомах клеточных ядер, они участвуют в стабилизации пространственной структуры ДНК. Гистоны на 20-30% состоят из основных аминокислот. Из растворов их осаждают аммиаком.

Протеноиды – подгруппа нерастворимых  фибриллярных белков животного происхождения. К ним относятся фиброин – шелка, кератин – волос, рогов, перьев, сухожилий и связок. Характерная особенность протеноидов – высокое содержание в них серы. Эти белки не гидролизуются пищеварительными ферментами.