Эта тема входит в бесплатную часть моего курса по биохимии.
Белки — это полимерные молекулы, которые состоят из молекул поменьше — мономеров. Этими мономерами будут аминокислоты. Если упростить, то белок — это большой кирпичный дом. Где кирпичики — это аминокислоты. В этой статье мы посмотрим на эти кирпичики: какие они бывают, сколько их и какие у них свойства. Потом соединим аминокислоты вместе — синтезируем пептид. Подробно поговорим о пептидной связи, удерживающей аминокислоты вместе. А в конце небольшой подарок — торсионные углы.
Строение аминокислот
По названию понятно, что в аминокислоте должны быть две вещи: аминогруппа и карбоксильная группа. Аминокислот довольно много, но в белках встречаются только такие:
Это альфа-аминокислоты. В них есть центральный атом углерода, который связан с четырьмя заместителями: водородом, аминогруппой, карбоксильной группой и радикалом. Над этим атомом стоит греческая буква — альфа, почему? Это способ нумерации атомов углерода, входящих в органическое соединение. Для нумерации используют буквы греческого алфавита: альфа, бета, гамма, дельта и так далее. Нумерацию начинают с атома углерода, который следует после карбоксильной группы.
Альфа-углерод связан с четырьмя разными заместителями. Ещё разок повторим, что это — водород, аминогруппа, карбоксильная группа и радикал. Такие атомы называются хиральными центрами. Если в молекуле есть хиральный центр, то она хиральна. Что это значит? Это значит, что у молекулы есть изомер — он является её зеркальным отражением. Две этих молекулы будут несопоставимы в пространстве — они разные! Самый простой пример хиральности — левая и правая рука. Руки являются зеркальным отражением друг друга, но у нас не получится идеально сопоставить их в пространстве. Для этого пришлось бы превратить правую руку в левую. Или левую в правую.
Живые организмы используют и синтезируют только L-аминокислоты.
Альфа-аминокислоты будут различаться по своим радикалам. Всего нам нужно запомнить 20 аминокислот. Одна из них будет иметь особое строение — правильнее было бы назвать её иминокислотой. Вот наша легенда — пролин.
Вернемся к различиям между аминокислотами. Есть несколько классификаций радикалов, но мы возьмем самую полезную для нас — по полярности. А если говорить простыми словами, то по растворимости радикала в воде. Радикалы делятся на неполярные и полярные. Первые не растворимы в воде, а вторые растворимы. Когда будем говорить о строении белка, то поймем почему нас интересует именно эта классификация.
Неполярные радикалы аминокислот
У этих ребят нет групп, которые могут образовать водородные связи с водой, поэтому они нерастворимы. Вместо этого у них есть алифатические и ароматические группы. Радикалы выделены фиолетовым цветом.
У глицина радикал — атом водорода. Выходит, что у его альфа-атома углерода два одинаковых заместителя — он не является хиральным атомом.
Полярные радикалы аминокислот
Перед этим остановимся на одной вещичке. Я писал формулы аминокислот так, как будто они не находятся в растворе. Но если мы заглянем в клетку, pH в цитоплазме которой 7 и 0, то увидим такую картину.
Еще разок, в цитоплазме клетки pH 7,0, то есть в в ней равное количество H+ и OH—. Так как у азота есть неподеленная электронная пара, то он может присоединить протон водорода по донорно-акцепторному механизму. А остаток кислоты диссоциирует с образованием протона. Понятное дело, что радикалы подчиняются таким же правилам.
Полярные радикалы можно разделить на две группы: полярные незаряженные и полярные заряженные.
В этих аминокислотах есть сильно электроотрицательные атомы — азот, кислород и сера. С их помощью молекулы образуют водородные связи и растворяются в воде. Но заряда у них нет.
Заряд у радикала может быть положительным или отрицательным, поэтому здесь небольшое деление.
Кстати, лучше растворимы в воде заряженные радикалы. Но разница между полярными заряженными и незаряженными не слишком большая. И еще одно — аспартат и глутамат это название аспарагиновой и глутаминовой кислот в растворе.
Аминокислоты делятся на полярные и неполярные. Полярные аминокислоты могут быть заряженными или незаряженными.
Аминокислоты называли по месту их выделения или физическим свойствам, поэтому у них такие странные названия. Гликос с греческого — сладкий, вот и глицин сладковат. Так что придется зазубрить это.
Изоэлектрическая точка
Вы уже заметили, что у аминокислот есть положительная и отрицательная части. Не так много молекул имеют такую особенность. Так что аминокислоты — это такой гибрид, поэтому их так и назвали — гибридные ионы. Правда на немецком…. А звучит это так: «Цвиттер-ион». Но как всегда есть один нюанс — у гибридного иона общий заряд молекулы равен нулю.
И вы уже смекнули, что не у всех аминокислот будет общий заряд равен нулю. Для неполярных и полярных незаряженных аминокислот это верно, но че делать с заряженными? До этого мы разбирали заряд аминокислот в клетке, то есть при нейтральном pH. Но что будет с ними, если поместить их в другие значения среды, например, в сильнощелочную или кислотную? Аминокислоты будут менять свой заряд и сейчас посмотрим как.
Для начала возьмем что-нибудь простенькое — пусть это будет глицин. Нужно понять, что мы берём раствор — у него будет определённая кислотность среды (pH) равная 7,0. В этом растворе будет множество молекул глицина. Добавляем в этот раствор кислоту. Прямо по капле. Сначала ничего не меняется, но при значении pH=2,34 половина карбоксильных групп глицина присоединит к себе протон водорода. Продолжим уменьшать pH (добавлять кислоту) — всё большее количество глицина присоединяет протон. Что же получается? При снижении pH менее 2,34 большая часть карбоксильных групп глицина присоединит к себе протон. Заряд молекул глицина изменится — теперь он равен +1. Начнем добавлять к этому же раствору щелочь по капле. Дойдем до pH равного 9,6 и от половины аминогрупп глицинов отлетит водород. Заряд молекулы будет -1. Чуть дальше будет хорошая картинка, на которой можно будет проследить за всеми изменениями.
Как же назвать pH при котором происходит переход из одной формы в другую? Очень просто, показатель константы диссоциации или pKa. Константа диссоциации показывает при каком pH среды половина функциональных групп связана с протоном, а другая половина не связана. Получается, что в молекуле глицина pKa карбоксильной группы = 2,34, а pKa аминогруппы = 9,6. Я написал про молекулу глицина, потому что в остальных аминокислотах значения немного отличаются.
А теперь о том, ради чего все это затевалось — изоэлектрическая точка.
Изоэлектрическая точка — это pH среды, при которой заряд молекулы равен нулю. Да, вот так вот просто. Ее, кстати, можно посчитать — для этого нужно сложить pKa двух ближних функциональных групп и поделить на их количество. А их количество — две.
Сделаем тоже самое с молекулами посложнее, начнем с гистидина.
У гистидина есть заряженная группа, поэтому у него побольше вариантов заряда, чем у глицина. Мы видим, что у гистидина карбоксильная группа присоединяет водород при pH =1,82, а аминогруппа отдает протон водорода при pH=9,17. Вот про эти отличия я и говорил до этого, но так-то они не слишком большие. Радикал же отдает протон водорода при pH=6.
Сделаем тоже самое с глутаматом.
Думаю, что смысл понятен. У каждой аминокислоты своя собственная изоэлектрическая точка. Точки уже давно подсчитаны — достаточно найти их в интернете.
Сделаем красивый вывод:
Любая аминокислота цвиттер-ион, но только в изоэлектрической точке
Зачем это нужно? Ну давайте посмотрим. Мы знаем, что каждая аминокислота несет определенный заряд, но этот заряд меняется от pH среды. Если мы поместим аминокислоты в нейтральную среду и закинем туда катод и анод, то положительно заряженные аминокислоты направятся к аноду, а отрицательные к катоду. Остальные аминокислоты можно будет разделить с помощью изменения pH среды, ведь в изоэлектрической точке у аминокислоты не будет заряда. Нет заряда — нет движения к катоду или аноду, аминокислота стоит на месте. Вот мы и разделили аминокислоты в растворе, можно их изучить.
Образование пептидов
Теперь давайте соединим между собой парочку аминокислот, пусть это будет глицин и аланин. Соединяем их с помощью реакции дегидратации — отщепляем молекулу воды и получаем пептид.
Какие группы вступали в реакцию? Да, аминогруппа и карбоксильная группа. Получается, что пептидная связь — это связь между аминогруппой одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты. Так как соединены две аминокислоты, то название молекулы — дипептид. Ничего не мешает мне присоединить еще одну.
И это уже трипептид. Если соединены до 10 пептидов, то это олигопептид. От 10 до 50 — полипептид, ну а если больше 50, то это белок. Как видите реакция обратима, можно провести гидратацию по пептидной связи и пептид разрушится. На самом деле реакция гидратации идет намного лучше, а вот для дегидратации нужен источник энергии — АТФ, и рибосомальная РНК. Так что для синтеза пептидов/белков организм неплохо так тратится.
Ну и вы заметили, что я располагаю радикалы с разных сторон — то сверху, а то снизу. Это транс положение, оно более устойчиво, но можете писать как хотите.
Белок — это пептид, который содержит более 50 остатков аминокислот
Пептидная связь
У пептидной связи есть свои секретики, но мы не дадим ей хранить их просто так. Главный секрет в том, что двойная связь находится не у кислорода, а у азота… Хотя это не совсем двойная связь, но близка к ней. Как же это происходит? У азота есть неподеленная электронная пара, электроны могут перейти от азота к кислороду, а двойная связь перейдет от кислорода к азоту — неплохой такой обменчик. Это явление называется резонанс пептидной связи, именно из-за него во всех учебниках пишут про «частично-двойной характер пептидной связи».
Пойдем еще немного дальше, о чем нам говорит двойная связь? Правильно, о гибридизации углерода — она здесь sp2. А значит угол между связями углерода 120 градусов, здесь они не прямо 120 градусов, но близки к этому. Идем дальше. Азот здесь тоже в sp2 гибридизации, понятно какие углы и у него. Но к чему я это все? Ах да, как будет выглядеть молекула?
Так как все углы по 120 градусов, то все 6 атомов — 3 углерода, азот, водород и кислород, лежат в одной плоскости, как будто на ладошке. За счет того, что углерод и азот образуют две связи — одну пи и одну сигму, вращение вокруг этих связей практически невозможно. Но об этом чуть позже, сейчас давайте упростим эту схему.
Это мы сделали только с одной пептидной связью, но что если добавить вторую? Получится кое что интересненькое…
Следующая пептидная связь такая же, как и предыдущая. Получается, что опять 6 атомов лежат в одной плоскости, вы видите, что один атом углерода принадлежит сразу к двум плоскостям и это удивительно! Можно даже подумать, что все эти пептидные связи будут лежать в одной и той же плоскости, но это не так, а виной этому — вращение вокруг связей.
Диэдральные или торсионные углы
Название пугающее, но сейчас как устроим этим углам! Так, мы уже говорили о том, что вокруг пептидной связи не повращаться из-за того, что она частично двойная. Но ведь есть и другие связи, вокруг которых можно устроить веселуху.
Понимаю, что представить это не так уж и легко, но можно попробовать сделать! Получится конечно не совсем так, но принцип поймем. Возьмем ручку и два колпачка, засунем бумажку под каждый колпачок и начнем крутить. Условимся, что мои пальцы — альфа-углеродный атом, то есть место пересечения двух плоскостей.
Теперь мы поняли, как происходит вращение, но это еще не все. Существуют определенные углы между плоскостями и всего их два. Представьте, что нам захочется найти угол между углеродами, у которых карбоксильная группа, двух плоскостей. Или угол между двумя атомами азота, опять же, двух разных плоскостей. Задачка кажется сложной… Но перед этим, а зачем я вообще мучаю вас этим? Дело в том, что когда мы дойдем до конформации белковых молекул, то благодаря этим углам мы поймем: как и почему образуется альфа-спираль, тоже самое с бета-складчатостью. Так что потерпите немного!
Если посмотреть на эту схему, то можно кое-что прикинуть: если мы будем вращать связь между N и C, то углерод с карбоксильной группой изменит положение относительно углерода другой плоскости, а вот азот останется на том же месте — угол между двумя азотами не изменится. А вот если начнем вращать связь между C и C, то все будет наоборот: угол между азотами изменится, но вот углероды с карбоксильной группой останутся на месте. Сложновато, но чуть дальше я дам пространственную картинку. Пока что мы пришли к выводу, что связь между N и C влияет на угол между углеродами — этот угол называется фи. А вот связь между C и C влияет на угол между атомами азота — угол пси.
Теперь можно и добавить атомы водорода в схему, они скоро нам понадобятся.
Добавим реалистичности, центральным радикалом у нас будет -CH3, а остальные радикалы уберем.
А теперь главный вопрос — как измерить эти углы? Хорошо, что уже это придумали… И мы можем сделать это вместе — заходите сюда и поехали! Первым делом нам нужно перевернуть молекулу так, чтобы расположить атом углерода с карбоксильной группой сверху. Зачем такие выкрутасы? Расскажу позже. А теперь посмотрим прямо в альфа атом углерода, да так что за ним спрятался азот. Как-то это странно звучит, но давайте попробуем.
Еще это можно посмотреть графически с помощью проекций Ньюмана.
Так, повторим что такое угол фи — это угол между двумя карбоксильными атомами углерода. На рисунке уже их видно.
Поняли зачем так крутили молекулу? Да, просто так нам удобнее смотреть угол. А теперь начнем вращать и посмотрим как меняются углы.
Угол пси по такой же логике. Крутим молекулу, чтобы атом азота оказался сверху и смотрим прямо в альфа атом углерода.
Еще разок построим проекцию Ньюмана, она немного отличается, и сразу же отметим углы.
Думаю, что принцип понятен. Дальше можете покрутить сами, правильно? Я не сказал про одно большое «НО» — не каждый угол возможен, так как у атомов есть электронные оболочки, которые заряжены отрицательно. Если электронные оболочки подходят слишком близко, то они отталкиваются и угол меняется. Какие углы возможны? Для этого еще разок зайдите сюда и включите на панельке справа силы Ван-дер-Вальса и show clashes.
Подробнее о влиянии этих углов в следующей статье.
Имея формулу пептида
АСН-АРГ-ЦИС-АСП-МЕТ-ГЛУ
Определите суммарный заряд пептида при Рн 7,0 обозначив заряды всех радикалов
Определите в какой среде лежит изоэлектрическая точка этого пептида (ИЭТ)
Аспарагин, метионин, цистеин не несут суммарного заряда (он равен 0)
Аргинин = +1, ааспаргиновая и глутаминовая в форме аспартата и глутамата несут -1 каждый
В Итоге получили, что суммарный заряд пептида составил -1
Не могу разобраться, правильно ли будет если на вопрос о ИЭТ написать слабокислая среда, исхода из общего суммарного заряда пептида?!!
))
Изменено 8 Сентября, 2012 в 14:35 пользователем mail-help
Задача
1
Белки,
осуществляющие транспорт молекул или
ионов через мембрану, часто классифицируются
как трансмембранные белки. Такие белки
имеют в своей структуре область,
заключенную в липидном бислое мембраны,
и области, обращенные внутрь клетки (в
цитоплазму) и во внеклеточное пространство.
Исходя из классификации аминокислот
по полярности радикала, предположите,
какие аминокислоты должны преобладать
в различных участках данного
трансмембранного протеина.
Решение
Те
участки белка, которые взаимодействуют
с углеводородными цепями жирных кислот,
содержат, в основном, неполярные
аминокислоты. Участки белка, находящиеся
в области “головок”, обогащенный
гидрофильными аминокислотными остатками.
Задача
4
Найдите,
в какой зоне рН (нейтральной, кислой или
щелочной) лежит ИЭТ полипептида,
состоящего из следующих аминокислотных
остатков: арг-гис-глу-цис. В каком
направлении будет двигаться данный
пептид при разделении пептидов методом
электрофореза в буферном растворе с
нейтральным значением рН? Как изменится
заряд и направление движения пептида
в электрическом поле, если в составе
пептида аргинин заменить лейцином?
Решение
Изоэлектрическая
точка-это значение рН, при котором заряд
белка равен нулю. Заряд у пептида «+»,
значит ИЭТ в щелочной среде. Получается,
что пептид пойдет к катоду. «-». Если
лейцин заменит аргинин, то заряд останется
нейтральным, поэтому никуда не пойдет.
Задача
8
Объясните,
почему биуретовым методом можно
определить содержание белков, а не
аминокислот в растворе. Как можно
определить наличие отдельных аминокислот?
Дадут ли одинаковую окраску с биуретовым
реактивом 1000 молекул альбумина и 1000
молекул гамма-глобулина? Обоснуйте Ваш
ответ.
Решение
Так
как биуретовая реакция – это реакция
на пептидные связи.
Нингидриновая
реакция на α аминокислоты. Рекция Фоля
на аминокислоты, содержащие S.
Ксантопротеиновая реакция на аминокислоты,
содержащие ароматическую группу.
Альбумин
состоит из одной полипептидной цепи, а
гамма-глобулин из 2 легких и 2 тяжелых
цепей. Значит в гамма-глобулине пептидных
связей больше, следовательно, окраска
будет более интенсивна.
Задача
13
Изучалась
устойчивость двух разных ферментов
(гексокиназы и рибонуклеазы) к действию
температуры. Выяснилось, что при
нагревании ферментов при температуре
50°
в течение 15 минут гексокиназа теряет
70% своей активности, в то время как
рибонуклеаза – только 30%. При сравнении
структурной организации этих ферментов
выяснилось, что рибонуклеаза содержит
в своей структуре 4 дисульфидные связи.
Исходя из приведенных выше данных,
объясните отличия в устойчивости двух
ферментов к тепловой денатурации.
Решение
Отличия
в устойчивости ферментов заключается
в наличие дисульфидных связей у
рибонуклеазы и отсутствии таковых у
гексокиназы. Эти связи представляют
собой прочные боковые мостики, не
разрушаемые под воздействием тепла и
воды.
Задача
14
Фермент
изоцитратдегидрогеназа катализирует
реакцию превращения изоцитрата в
α-кетоглутарат. АТФ является отрицательтным
эффектором фермента, а АДФ – его
положительным эффектором. Объясните
механизм регуляции фермента. Дайте
графическое изображение кинетики данной
ферментативной реакции.
Решение
ИзоцитратДГ-
аллостерический фермент. Он аллостерически
активируется АДФ, который присоединяется
к ферменту в аллостерическом центре. В
присутствии АДФ конформация всех
субъединиц меняется т.о, что связывание
изоцитрата происходит значительно
быстрее. Антагонистически действует
АТФ, ингибируя метаболические пути,
обеспечивающие синтез энергии, коим
является ЦТК (цикл трикарб.
кислот).
Аллостерические ферменты не
подчиняются законам Михаэлиса-Ментен,
они имеют характерную S-образную
кривую зависимости скорости от
концентрации субстрата.
При низких
концентрациях субстрата актив-ть в
присут. ингибитора существенно ниже,
чем в его отсутствие. Однако при увеличении
концетр. субстрата ингибирующие действие
становится менее выраженным.
Задача
16
Фосфорорганические
соединения являются мощными ядами и
обладают нервнопаралитическим действием.
Симптомы отравления связаны с необратимым
ингибированием ацетилхолинэстеразы
(АХЭ), которая ускоряет гидролиз
ацетилхолина, функционирующего в
качестве нейромедиатора. Увеличение
количества ацетилхолина в синаптической
щели при ингибировании АХЭ приводит к
стойкой деполяризации постсинаптической
мембраны и может вызвать паралич.
Объясните механизм ингибирования АХЭ.
Решение
Симптомы
отравления органическими фторфосфатами
связаны в основном с необратимым
ингибированием фермента – ацетилхолинэстеразы
(АХЭ)
Ацетилхолинэстераза ускоряет
гидролиз ацетилхолина, функционирующего
в качестве нейромедиатора. Продукты
распада ацетилхолина – ацетат и холин
– не способны действовать как
нейромедиаторы. Увеличение количества
ацетилхолина в синаптической щели при
ингибировании АХЭ приводит к стойкой
деполяризации постсинаптической
мембраны и может вызвать паралич.
Задача
19
Фермент
киназа гликогенфосфорилазы в печени
может находиться в двух формах с различной
активностью: в виде простого белка и
фосфопротеина.
1.
Объясните, каким путем одна форма
фермента переходит в другую?
2.
Почему этот переход сопровождается
изменением активности фермента?
Решение
В
печени существует аллостерическая
регуляция гликогенфосфорилазы,
обеспечивающая внутриклеточные
потребности в глюкозе. Рассмотрим
значение изменения в клетке уровней
АТФ, АДФ и АМФ как показателей, отражающих
потребности клеток в энергии. Уменьшение
расходования АТФ сопровождается
снижением активности гликогенфосфорилазы
и уменьшением скорости распада гликогена.
Напротив, увеличение расходования АТФ
ведёт к повышению уровня АМФ, активации
гликогенфосфорилазы и ускорению распада
гликогена. АТФ и АМФ являются
аллостерическими эффекторами по
отношению к гликогенфосфорилазе за
счет процесса фосфорилирования.
Задача
21
Метанол
– очень токсичное соединение: прием
внутрь 30 мл метанола может привести к
смерти. Такая токсичность обусловлена
действием формальдегида – продукта его
превращения. Метанол окисляется под
действием фермента печени –
алкогольдегидрогеназы. Один из методов
лечения при отравлении метанолом состоит
в том, что больному назначают внутрь
или внутривенно этанол в дозах, которые
вызывают интоксикацию у здорового
человека. Объясните почему такое лечение
эффективно.
Решение
Такое
лечение считается эффективным, потому
что этанол является антидотом
метанола. Действие
этанола при отравлении метанолом:
метанол метаболизируется
алкогольдегидрогеназой, которая
осуществляет и первый этап метаболизма
этанола. Токсичны не столько сами
исходные вещества, сколько их метаболиты,
образующиеся при дегидрировании.
Вводимый с лечебной целью этанол
конкурирует с этими веществами за
фермент и тем самым уменьшает образование
их токсичных метаболитов и обеспечивает
их выведение с мочой в неизмененном
виде
Задача
23
Известно,
что употребление в пищу сырых яиц может
вызвать гиповитаминоз витамина Н. В
составе яиц содержится белок авидин,
который способен взаимодействовать с
витамином Н и препятствовать его
всасыванию в желудочно-кишечном тракте.
Объясните, почему вареные яйца таким
эффектом не обладают?
Решение
Витамин
Н или биотин обладает высоким сродством
с авидином(гликопротеином-белком
основного характера) вместе они образуют
нерастворимый в воде комплекс, так же
он не подвергается расщеплению в
пищеварительном тракте, поэтому биотин
не всасывается.
Яйца, которые сварили,
пережили денатурацию белка, поэтому
естественные(нативные) свойства белка
авидина были потеряны в результате
нарушения третичной структуры белка.,
стало быть авидин не может взаимодействовать
с витамином Н, препятствуя его всасыванию
в жкт.
Задача
26
Во
время Битвы за Британию английская
авиация приняла на себя основной удар,
и сумела противостоять превосходящим
во много раз силам противника, в основном
благодаря мастерству английских
летчиков. Однако, многие летчики
испытывали трудности при ночных полетах
из-за нарушения зрения. После введения
в рацион повышенного количества молока,
сливочного масла, яиц и моркови эта
проблема полностью исчезла. Объясните,
почему
Решение
В
молочных продуктах, яйцах содержится
витамин А, в Моркови содержатся
кератинойды, которые являются провитаминами
Витамина А.
В
организме Ретинол превращается в
ретиналь и ретиновую кислоту, участвующую
в регуляции ряда функций, а также
составляют фотохимическую основу акта
зрения (родопсин и йодопсин колбочек в
качестве кофермента содержат
11-цис-ретинальЮ альдегидное производное
витамина А)
Соседние файлы в папке Задачи
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Изоэлектрической точкой ( ИЭТ , рН (I) , МЭП ), является рН , при которой молекула не несет никакой чистый электрический заряд или электрически нейтрален в статистическом среднем . Стандартная номенклатура для представления изоэлектрической точки – pH (I). Однако также используется pI. Для краткости в этой статье используется pI. Чистый заряд молекулы зависит от pH окружающей среды и может стать более положительным или отрицательным из-за увеличения или потери протонов (H + ) соответственно.
Поверхности естественным образом заряжаются, образуя двойной слой . В общем случае, когда ионы, определяющие поверхностный заряд, представляют собой H + / HO – , чистый поверхностный заряд зависит от pH жидкости, в которую погружено твердое тело.
Значение pI может влиять на растворимость молекулы при заданном pH. Такие молекулы обладают минимальной растворимостью в воде или растворах солей при pH, соответствующем их pI, и часто выпадают в осадок из раствора . Биологические амфотерные молекулы, такие как белки, содержат как кислотные, так и основные функциональные группы . Аминокислоты, из которых состоят белки, могут быть положительными, отрицательными, нейтральными или полярными по своей природе и вместе придают белку его общий заряд. При pH ниже их pI белки несут чистый положительный заряд; выше их pI они несут чистый отрицательный заряд. Таким образом, белки можно разделить по суммарному заряду в полиакриламидном геле, используя либо препаративный гель-электрофорез , при котором используется постоянный pH для разделения белков, либо изоэлектрическое фокусирование , которое использует градиент pH для разделения белков. Изоэлектрическая фокусировка также является первым шагом в электрофорезе в 2-мерном полиакриламидном геле .
В биомолекулах белки можно разделить с помощью ионообменной хроматографии . Биологические белки состоят из цвиттерионных аминокислотных соединений; чистый заряд этих белков может быть положительным или отрицательным в зависимости от pH окружающей среды. Конкретную pI целевого белка можно использовать для моделирования процесса, а затем соединение можно очистить от остальной смеси. Для этого процесса очистки можно использовать буферы с различным pH, чтобы изменить pH окружающей среды. Когда смесь, содержащая целевой белок, загружается в ионообменник, неподвижная матрица может быть либо положительно заряженной (для подвижных анионов), либо отрицательно заряженной (для подвижных катионов). При низких значениях pH чистый заряд большинства белков в смеси положительный – в катионообменниках эти положительно заряженные белки связываются с отрицательно заряженной матрицей. При высоких значениях pH чистый заряд большинства белков отрицательный, поскольку они связываются с положительно заряженной матрицей в анионообменниках. Когда среда имеет значение pH, равное pI белка, чистый заряд равен нулю, и белок не связан с каким-либо обменником и, следовательно, может быть элюирован.
Расчет значений pI
Для аминокислоты, содержащей только один амин и одну карбоксильную группу, pI можно рассчитать из среднего значения pKas этой молекулы.
РН от электрофоретического геля определяется буфером , используемым для этого геля. Если pH буфера выше pI запускаемого белка, белок будет мигрировать к положительному полюсу (отрицательный заряд притягивается к положительному полюсу). Если pH буфера ниже pI запускаемого белка , белок будет мигрировать к отрицательному полюсу геля (положительный заряд притягивается к отрицательному полюсу). Если белок запускается с буферным pH, равным pI, он вообще не будет мигрировать. Это верно и для отдельных аминокислот.
Примеры
В двух примерах (справа) изоэлектрическая точка показана зеленой вертикальной линией. В глицине значение рК отделено друг от друга почти на 7 единиц. Таким образом, в газовой фазе концентрация нейтрального вещества, глицина (GlyH), составляет 100% аналитической концентрации глицина. Глицин может существовать в виде цвиттериона в изоэлектрической точке, но константа равновесия для реакции изомеризации в растворе
- H 2 NCH 2 CO 2 H ⇌ H 3 N + CH 2 CO 2 –
не известно.
Другой пример, аденозинмонофосфат, показан для иллюстрации того факта, что в принципе может быть задействован третий вид. Фактически, в этом случае концентрацией (AMP) H 3 2+ можно пренебречь в изоэлектрической точке. Если pI больше pH, молекула будет иметь положительный заряд.
Изоэлектрическая точка пептидов и белков
Разработан ряд алгоритмов оценки изоэлектрических точек пептидов и белков . Большинство из них используют уравнение Хендерсона – Хассельбаха с разными значениями pK. Например, в рамках модели, предложенной Бьеллквистом и соавторами, pK определяли между близкородственными иммобилинами, фокусируя один и тот же образец в перекрывающихся градиентах pH. Также были предложены некоторые улучшения в методологии (особенно в определении значений pK для модифицированных аминокислот). Более продвинутые методы учитывают влияние соседних аминокислот на ± 3 остатка от заряженной аспарагиновой или глутаминовой кислоты , влияние на свободный С-конец, а также применяют поправочный член к соответствующим значениям pK с использованием генетического алгоритма . Другие недавние подходы основаны на машинном алгоритме опорных векторов и оптимизации pKa относительно экспериментально известных изоэлектрических точек белка / пептида.
Более того, экспериментально измеренные изоэлектрические точки белков были объединены в базы данных. Недавно была также разработана база данных изоэлектрических точек для всех белков, предсказанных с использованием большинства доступных методов.
Керамические материалы
Изоэлектрические точки (IEP) металлооксидной керамики широко используются в материаловедении на различных стадиях обработки воды (синтез, модификация и т. Д.). В отсутствие хемосорбированных или физадсорбированных частиц поверхности частиц в водной суспензии обычно предполагается покрытыми поверхностными гидроксильными частицами, M-OH (где M представляет собой металл, такой как Al, Si и т. Д.). При значениях pH выше IEP преобладающими поверхностными видами являются MO – , в то время как при значениях pH ниже IEP преобладают виды M-OH 2 + . Некоторые приблизительные значения обычной керамики перечислены ниже:
| Материал | IEP | Материал | IEP | Материал | IEP | Материал | IEP | Материал | IEP | Материал | IEP |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| WO 3 | 0,2-0,5 | Та 2 О 5 | 2,7-3,0 | δ-MnO 2 | 1.5 | Fe 2 O 3 | 3,3-6,7 | Fe 2 O 3 | 8,4-8,5 | ZnO | 8,7-10,3 |
| Сб 2 О 5 | <0,4–1,9 | SnO 2 | 4-5,5 (7,3) | β-MnO 2 | 7.3 | CeO 2 | 6,7-8,6 | α Al 2 O 3 | 8-9 | NiO | 10-11 |
| V 2 O 5 | 1-2 (3) | ZrO 2 | 4-11 | TiO 2 | 2,8–3,8 | Cr 2 O 3 | 6,2-8,1 (7) | Si 3 N 4 | 9 | PbO | 10,7-11,6 |
| SiO 2 | 1,7-3,5 | MnO 2 | 4-5 | Si 3 N 4 | 6-7 | γ Al 2 O 3 | 7-8 | Y 2 O 3 | 7,15–8,95 | La 2 O 3 | 10 |
| SiC | 2-3,5 | ITO | 6 | Fe 3 O 4 | 6,5-6,8 | Tl 2 O | 8 | CuO | 9,5 | MgO | 12-13 (9,8-12,7) |
Примечание. В следующем списке приведена изоэлектрическая точка при 25 ° C для выбранных материалов в воде. Точное значение может широко варьироваться в зависимости от таких факторов материала, как чистота и фаза, а также физических параметров, таких как температура. Более того, точное измерение изоэлектрических точек может быть затруднено, поэтому многие источники часто приводят разные значения для изоэлектрических точек этих материалов.
Смешанные оксиды могут иметь значения изоэлектрической точки, промежуточные по сравнению с соответствующими чистыми оксидами. Например, синтетически полученный аморфный алюмосиликат (Al 2 O 3 -SiO 2 ) первоначально был измерен как имеющий IEP 4,5 (в электрокинетическом поведении поверхности преобладали поверхностные частицы Si-OH, что объясняет относительно низкое значение IEP). Другие сообщали о значительно более высоких значениях IEP (pH от 6 до 8) для 3Al 2 O 3 -2SiO 2 . Аналогичным образом, IEP титаната бария , BaTiO 3, находился в диапазоне 5-6, в то время как другие получили значение 3. Были изучены смеси диоксида титана (TiO 2 ) и диоксида циркония (ZrO 2 ), и было обнаружено, что изоэлектрическая точка имеет значение 5,3. -6,9, нелинейно изменяющийся с% (ZrO 2 ). Заряд поверхности смешанных оксидов коррелировал с кислотностью. Повышенное содержание диоксида титана приводило к увеличению кислотности по Льюису, тогда как оксиды с высоким содержанием диоксида циркония проявляли Br :: onsted кислотность. Различные типы кислотности вызывают различия в скорости и емкости адсорбции ионов.
Изоэлектрическая точка в сравнении с точкой нулевого заряда
Термины изоэлектрическая точка (IEP) и точка нулевого заряда (PZC) часто используются как синонимы, хотя при определенных обстоятельствах может быть полезно провести различие.
В системах, в которых H + / OH – являются ионами, определяющими межфазный потенциал, точка нулевого заряда дается в единицах pH. Значение pH, при котором поверхность демонстрирует нейтральный чистый электрический заряд, является точкой нулевого заряда на поверхности. Электрокинетические явления обычно измеряют дзета-потенциал , и нулевой дзета-потенциал интерпретируется как точка нулевого суммарного заряда в плоскости сдвига . Это называется изоэлектрической точкой. Таким образом, изоэлектрическая точка – это значение pH, при котором коллоидная частица остается неподвижной в электрическом поле. Ожидается, что изоэлектрическая точка будет несколько отличаться от точки нулевого заряда на поверхности частицы, но на практике это различие часто игнорируется для так называемых первичных поверхностей, то есть поверхностей без специально адсорбированных положительных или отрицательных зарядов. В этом контексте специфическая адсорбция понимается как адсорбция, происходящая в слое Штерна, или хемосорбция . Таким образом, точка нулевого заряда на поверхности принимается равной изоэлектрической точке при отсутствии специфической адсорбции на этой поверхности.
Согласно Жоливе, при отсутствии положительных или отрицательных зарядов поверхность лучше всего описывается точкой нулевого заряда. Если положительный и отрицательный заряды присутствуют в равных количествах, то это изоэлектрическая точка. Таким образом, PZC относится к отсутствию любого типа поверхностного заряда, в то время как IEP относится к состоянию нейтрального чистого поверхностного заряда. Таким образом, разница между ними заключается в количестве заряженных сайтов в точке с нулевым чистым зарядом. Жоливе использует внутренние константы равновесия поверхности, p K – и p K +, чтобы определить два условия в терминах относительного количества заряженных сайтов:
![{ mathrm {p}} K ^ {-} - { mathrm {p}} K ^ {+} = Delta { mathrm {p}} K = log {{ frac { left [{ mathrm {MOH}} right] ^ {2}} { left [{ mathrm {MOH}} {_ {2} ^ {+}} right] left [{ mathrm {MO}} ^ {-} Правильно]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1e3191d7ab56090ff3c419b53868c6c52134d80a)
Для больших Δp K (> 4 согласно Жоливе) преобладающим видом является MOH, в то время как заряженных частиц относительно мало, поэтому актуален PZC. При малых значениях Δp K имеется много заряженных частиц в примерно равном количестве, поэтому говорят об ИЭП.
Смотрите также
- Уравнение Хендерсона-Хассельбаха
- Изоэлектрическая фокусировка
- Дзета-потенциал
- Электрофоретическое осаждение
- Изоионная точка
- константа диссоциации кислоты pK
- QPNC-PAGE
использованная литература
дальнейшее чтение
- Нельсон Д.Л., Кокс М.М. (2004). Принципы биохимии Ленингера . WH Freeman; 4-е издание (в твердом переплете). ISBN 0-7167-4339-6
- Космульский М. (2009). Поверхностная зарядка и точки нулевого заряда . CRC Press; 1-е издание (в твердом переплете). ISBN 978-1-4200-5188-9
внешние ссылки
- IPC – Калькулятор изоэлектрической точки – вычисляет изоэлектрическую точку белка с использованием более 15 методов
- prot pi – изоэлектрическая точка белка – онлайн-программа для расчета pI белков (включая множественные субъединицы и посттрансляционные модификации)
- CurTiPot – набор электронных таблиц для расчета кислотно-основного равновесия (график зависимости заряда от pH амфотерных молекул, например аминокислот)
- pICalculax – предиктор изоэлектрической точки (pI) для химически модифицированных пептидов и белков
- SWISS-2DPAGE – база данных изоэлектрических точек, полученных в результате двумерного электрофореза в полиакриламидном геле (~ 2000 белков)
- PIP-DB – база данных изоэлектрических точек белка (~ 5000 белков)
- Proteome-pI – база данных изоэлектрических точек протеома (предсказанная изоэлектрическая точка для всех белков)
