Proprietăţile proteinelor

Obiectivele:

•           1. Proprietăţile  fizico-chimice   ale   proteinelor

•           2. Masa   moleculară, metode de deteminare

•           3. Solubilitatea proteinelor, factorii ce o influenţează.

•           4. Proprietăţile soluţiilor proteice (coloizi). Factorii   de  stabilizare  în     soluţie   a   substanţelor coloidale.

•           5. Starea soluţiilor coloidale sol, gel, xerogel. Exemple.

•           6. Sarcina  electrică  a  proteinelor.   Punctul   şi  starea izoelectrică.  

•           7. Denaturarea proteinelor, agenţii ce provoacă denaturarea. Ce modificări suferă structura proteinei la denaturare.

•           8. Coagularea proteinelor. Factorii care previn coagularea.

•           9. Metodele de studiere a componenţei calitative şi cantitative a proteinelor a) hidroliza b) cromatografie c) electroforeza d) salifiere e) dializa f) gel-filtrare

 

Proprietăţi fizico-chimice

•    Masă moleculară

•    Solubilitatea proteinelor

•    Proprietăţile amfotere

•    Denaturarea

•    Sarcina electrică a proteinei

Masă moleculară a proteinelor

•          este comparativ cu alte substanţe mare: intre 10.000 şi 40.000.000 Daltoni.

•          se determină prin diferite metode:

•          prin calcul cu ajutorul compoziţiei  chimice cunoscute: Ex:  

•          Prin analiza de sedimentare

•          Prin studierea presiunii osmotice

•          Prin difuzia luminii

•          Prin cromatografia de excludere moleculară

Masa moleculară a diferitelor proteine. Solubilitatea proteinelor

•    Variază în limite mari:

       - Proteinele globulare prezintă grade diferite de solubilitate,

        - cele fibrilare sunt insolubile în apă.

 

Solubilitatea este deteminată de:

–  prezenţa grupărilor funcţionale hidrofile pe suprafaţa  moleculei proteice a resturilor AA (cu sarcini electrice (COO ; NH3) şi de grupări polare (OH, SH) care interacţionează cu dipolul de apă.) Grupa COO fixează 4 molecule H2O, NH2-  -3; iar –OH şi NH – câte l2.

–  de particularităţile de organizare (proteinele globulare se dizolvă mai bine faţă de cele fibrilare)

 

Solubilitatea este influenţată de

        -     PH-ul mediului, care modifică sarcina electrică a proteinei

–      Temperatură

–      de proprietăţile solventului (ex:apa pură, soluţii saline slabe;).Prezenţa sărurilor metalelor uşoare – Na Cl, MgCl2, Na2SO4, care:

–      la concentraţii mici  măresc solubilitatea proteinelor

–      la concentraţii mari  scad solubilitatea proteinelor şi ele precipită. Acest proces se numeşte salifiere.

 

Proprietăţile soluţiilor proteice

•     Proteinele sunt substanţe macromoleculare, de aceea formează soluţii coloidale.

•      Spre deosebire de soluţiile coloidale obişnuite, soluţiile proteice  nu necesită prezenţa stabilizatorului. Soluţiile proteice sunt stabile şi cu timpul nu se precipită.

 

Soluţiile proteice posedă proprietăţi caracteristice soluţiilor coloidale:

•    Proprietăţile optice(efectul Tindal)

•    Viteză de difuzie mică.

•    Viscozitate mare

•    Proprietăţi osmotice

•     pot forma geluri

 

Proprietăţile optice

•       Soluţiile proteice concentrate posedă opalescenşă specifică. La iluminarea laterală a soluţiei proteice raza de lumină în ea devine vizibilă., formând conul de lumină, numit efectul Tindal. Acest efect de dispersie a luminii se explică prin difracţia razelor de lumină de către particulele în soluţie.

•     Capacitatea proteinelor de a dispersa lumina este folosită:

- la determinarea cantitativă a proteinelor prin metoda nefelometrică

- la studierea microscopică a structurilor celulare.

•     Soluţiile proteice posedă absorbanţă în limitele spectrului ultrafiolet, caracterizată de prezenţa in ele a resturilor aminoacizilor fenilalanina, tirozina şi triptofan. Fenilalanina şi tirozina are absorbanţa maximă la lungimea de undă 280 nm, iar triptofanul - 254 nm.

 

Viteză de difuzie mică.

•     Difuzie – deplasarea spontană a moleculelor substanţei dizolvate datorită gradientului de concentraţie( de la zone cu concentraţii mai mare spre cele cu concentraţie scăzută).

•     Viteza de difuzie a proteinelor depinde mai mult de forma moleculei, decât de masa ei. Repartizarea intracelulară a proteinelor din locul de sinteză (ribosomi) are loc prin difuzie. Deoarece viteza de difuzie e mică are loc limitarea vitezei proceselor dependente de funcţiile proteinelor difuzabile în sectorul respectiv.

 

Viscozitate mare

•     e dependentă de masa şi forma moleculelor. Mărirea concentraţiei proteinei conduce şi la mărirea viscozităţii soluţiei (se măresc forţele de coeziune între moleculele proteice).

•     Proteinele fibrilare sunt mai vîscoase comparativ cu cele globulare.

•     Viscozitatea e dependentă de:

•     temperatură- ↑t0 -↑ viscozitatea

•     prezenţa electroliţilor (ex. sărurile de Ca2+ măresc viscozitatea prin formarea punţilor de Ca2+)

 

Proprietăţi osmotice

•     proteine fiind macromolecule – nu difundează prin membrane semipermiabile, pe când micromoleculele trec prin asemenea membrane. Acest proces e folosit în practică pentru purificarea soluţiilor proteice de amestecuri micromoleculare, numit dializă.

•     proprietatea de a forma geluri

•      Proteinele prezintă coloizi liofili, şi deci pot forma geluri. Particulele coloidale de proteină interacţionează între ele şi apare o structură reticulară internă din care cauză viscozitatea soluţiei creşte. Formarea de gel se observă la coagularea sîngelui (formarea reţelei de fibrină).

 

 

Proprietatea de a forma geluri

•     Proteinele prezintă coloizi liofili, şi deci pot forma geluri. Particulele coloidale de proteină interacţionează între ele şi apare o structură reticulară internă din care cauză viscozitatea soluţiei creşte. Formarea de gel se observă la coagularea sîngelui (formarea reţelei de fibrină).

 

Formarea gelului depinde de :  

•     concentraţia soluţiei (odată cu creşterea concentraţiei);

•     temperatură (la scăderea temperaturii);

•     concentraţia ionilor de hidrogen (în punctul izoelectric se observă o viteză maximă de formare a gelului);

•     prezenţa electroliţilor (Ionul SO42- contribuie în mod preferat la transformarea solului în gel).

 

Xerogel

•     este gelul secat (uscat) -   lipsit de apă.

•      se capătă prin Secare liofilă a soluţiilor coloidale

•     Secarea liofilă constă în îndepărtarea apei în vid din soluţia coloidală îngheţată.

•     se păstrează un timp mai îndelungat ceea ce prezintă importanţă practică în industria de preparare a medicamentelor de origine proteică.

•      Ex: deferite proteine (albumina,  gama-globulinele şi altele).

 

Stabilitatea soluţiei proteice e determinată de 2 factori:

•    sarcina electrică – determină respingerea moleculelor proteice încărcate pozitiv sau negativ.

•    membrana apoasă care îndepărtează moleculele proteice una faţă de alta impedicând agregarea şi precipitarea lor.

 

Sarcina electrică este determinată de componenţa AA:

§   dacă predomină AA acizi (glu,asp) sarcina sumară a proteinei va fi negativă

 

2. dacă predomină AA bazici (Liz,Arg)  sarcina sumară a proteinei  va fi pozitivă

 

Sarcina electrică este influenţată de pH mediului:

•      În apă aminoacizii se comportă ca  ţvetiriioni

•     În mediu acid  sarcina sumară va fi pozitivă

•     În mediu bazic sarcina sumară va fi negativă

 

Datorită acestui fapt la trecerea unui curent electric în soluţie, AA vor migra în mediu acid spre catod(-), iar în mediu alcalin spre anod(+).

 

Punct izoelectric

- E ste o valoare a pH-ului la care suma sarcinilor pozitive  este egală cu suma sarcinilor negative (migrarea proteinelor sau a AA într-un cîmp electric este nulă)

-     se notează pHi şi este diferit pentru fiecare aminoacid sau proteină.

•     În această formă se  exercită  forţe  de  atracţie  reciproce   între  grupările – COO- şi - NH3+; are loc o aglomerare a moleculelor din soluţie şi solubilitatea  devine minimă.

 

pHi

•    Pentrui AA neutri se află între pH 6-7

•    Pentrui AA bazici se află în mediu bazic

•    Pentrui AA acizi  se află în mediu acid 

 

Sarcina proteinei

•    La  un pH mai acid ca valoarea pHi proteina capătă o sarcină pozitivă (cation)  şi migrează spre catod(-);

•     la PH mai mare ca pHi proteina capătă o sarcină negativă şi migrează spre  anod(+)

 

Membrana apoasă (apa fixată)

•    Se formează la interacţiunea grupelor ionogene ce fixează dipolii de apă.  Grupa COO fixează 4 molecule H2O,

NH2-  -3;  iar –OH şi NH – câte 2.

 

Proprietăţile apei fixate 

1. moleculele apei legate au o dispunere mai compactă, ce o apropie de un corp solid

2. proprietăţile ei de solvent sunt reduse

3. îngheaţă la temperaturi joase( -40C)

4. constanta dielectrică (forţa de atracţie dintre ionii încărcaţi opus) este de 2,8, pe cînd la H2O obişnuită este de 8

Denaturarea proteinelor

•     este distrugerea nivelurilor superioare de organizare ale moleculei proteice (secundar, terţiar, cuaternar) în afară de structura primară cu  pierderea proprietăţile fizico-chimice şi biologice ale proteinei.

•     Agenţii denaturanţi se împart în fizici şi chimici.

1. factorii fizici: mperatura, presiunea, radiaţiile ultraviolete şi ionizante.

2. factorii chimici : acizi, bazele, solvenţii organici, detergenţii, amidele, sărurile metalelor grele.

 

Trăsăturile proteinei denaturate:

–  pierderea activităţii biologice

–  micşorarea solubilităţii

–  schimbarea formei şi mărimii moleculelor

–  creşterea reactibilităţii unor grupe

–  pierderea capacităţii de a se cristaliza

 

Substanţele ce pot împedica denaturarea

•    soluţii de glucide

•    glicerina

•    a. graşi

•    Pentru a evita denaturarea proteina se păstrează la rece, în soluţii concentrate de săruri la un pH anumit

 

Renaturare (renativare).

- este restabilirea structurii şi activităţii biologice a proteinei la înlăturarea agentului denaturant.

 

Metodele de studiere a componenţei calitative şi cantitative a proteinelor

•    a) hidroliza (ruperea unei legăturin ordinare cu adiţia unei molecule de apă)

•    b) cromatografie

•    c) electroforeza

•    d) salifiere

•     e) dializa

•    f) gel-filtrare

 

Cromatografie

-  este identificarea şi separarea      aminoacizilor.

•    Principiul: Metoda este bazată pe diferenţa coeficientului de repartiţie a aminoacizilor în apă şi solvent organic (butanol), care nu se amestecă cu apa. Viteza migrării aminoacizilor pe hîrtie este direct proporţională cu gradul de dizolvare în butanol.

 

Electroforeza

 - este metoda de separare a particulelor ce posedă sarcină (proteine) într-un cîmp electric

•      Direcţia migrării Pr  depinde de pH-ul mediului; Pr fiind electroliţi amfoteri — în mediul acid ele posedă sarcină pozitivă şi se mişcă spre catod, în mediul bazic posedâ sarcină negativă migrează spre anod.

•       Separarea Pr din serul sanguin La pH-ul 8,6 -8,9 în câmpul electric continuu Pr serului  posedă sarcina negativă şi vor migra spre anod cu o viteză care depinde în aceeaşi măsură de mărimea sarcinii electrice şi de masa moleculară a particulelor. În rezultat se separă

Albumine(care agung primele),apoi  globulinele care se separă în fracţii: a1, a2; b şi în final g-globulinele.

 

Salifierea

    - este metoda de precipitare a  proteinelor din soluţie la acţiunea conentraţiilor mari  de săruri neutre (sulfatul de amoniu, clorura de sodiu şi al.)

-      este un proces reversibil.

Mecanismul salifierii se reduce la dehidratare macromoleculelor proteice şi înlăturarea sarcinii electrice.

Asupra vitezei de precipitare a proteinelor prin salifiere acţionează un şir de factori ca hidrofilitatea proteinei, masa moleculară, sarcina electrică; de aceea salifiere diferitelor proteine are loc în concentraţii diferite de săruri.

   De exemplu, albuminele se precipită în soluţie saturată de sulfat de amoniu, pe când globulinele - în soluţie semisaturată de aceeaşi sare.

 

Dializa proteinelor

Dializa (din greceşte dialisis - separare) se numeşte procesul de separare a substanţelor macromoleculare şi soluţiilor coloidale de substanţe micromoleculare cu ajutorul membranelor semipermeabile (celofan, pergament, colodiu şi al.);

Posedând un diametru mare moleculele proteice, coloizii, substanţele macromoleculare nu pot trece prin porii acestor membrane spre deosebire de substanţele micromoleculare şi săruri.