Белки являются амфолитами (сокращение от слов "амфотерне электролиты"), т.е. они содержат как положительно, так и отрицательно заряженные аминокислотные остатки при характерных для клетки значениях pН (табл. 2).
Заряд боковых R-групп аминокислот зависит от значения pН: при высоких значениях pН карбоксильные группы в водном растворе легко теряют Н+ и приобретают отрицательный заряд, тогда как у аминогрупп заряд отсутствует, а при низких значениях pН наблюдается обратная ситуация - карбоксильные группы не несут заряда, тогда как аминогруппы захватывают из водного раствора ион Н+ и приобретают положительный заряд. Поэтому при низких pН белки заряжены положительно, а при высоких - отрицательно. Поскольку содержание и состав аминокислот, способных к обратимой ионизации, различны для разных белков, то для каждого белка существует свое характерное значение pН, при котором он является незаряженным; это значение называется изоэлектрической точкой (ИЭТ) и обозначается как pI. Нуклеиновые кислоты в водных растворах всегда сильно отрицательно заряжены, т.к. сахарофосфатный остов ДНК и РНК имеет отрицательный заряд фосфатных групп, которые депротонированы при характерных для клеток значениях pН.
Молекулу белка или нуклеиновой кислоты невозможно представить себе в чистом виде, поскольку являясь полиэлектролитами, они нуждаются в противоионах. Кроме того, всегда наблюдается сильное связывание молекул обычных растворителей (например, воды) с биополимерами. Поэтому реальным объектом в водном растворе всегда является гидратированная молекула, несущая противоионы. Степень взаимодействия белков и нуклеиновых кислот с водой не позволяет считать их растворы идеальными ни при каких концентрациях. Даже сухие пленки белков прочно сорбируют около 0.4 моля воды на моль аминокислот. Дополнительно более слабо связываются еще от 1 до 2 молей воды. Еще некоторая часть воды может задерживаться в полостях или углублениях молекулы белка.
Даже не будучи связанной, она будет двигаться с белком, что приведет к увеличению кажущегося размера белка. На практике слишком сложно использовать вышеописанную подробную картину взаимодействия вода-биополимер для расчета гидродинамических свойств белков или нуклеиновых кислот, и обычно используют упрощенную модель гидратации, согласно которой вода заполняет все внутреннее пространство макромолекулы, равномерно покрывает всю ее поверхность и связана одинаково. Экспериментально определенные при таких предположениях значения плотности безводных белков лежат в пределах от 1.33 до 1.45 г/см3 (среднее значение 1.37 г/см3). Нуклеиновые кислоты имеют гораздо большую плотность; так, если противоионом является Na+, то плотность равна 2.00 г/см3, а если противоионом является Cs+, то она равна 2.27 г/см3. Для объяснения гидродинамического поведения типичных белков необходимо, чтобы гидратация была равна от 0.3 до 0.4 г Н2О на 1 г белка.
Задача 10. Рассмотрим твердую сферическую молекулу белка с молекулярной массой 30 кДа средней плотности. Как изменится радиус гидратированной молекулы при гидратации 0.34 г Н2О /г белка в предположении, что вся вода равномерно распределена по поверхности белка?
Растворимость белков в различных растворителях определяется соотношением и распределением гидрофильных и гидрофобных остатков на поверхности белковой молекулы (рис. 15А) и, следовательно, зависит прежде всего от pН и ионной силы раствора.
Наименьшей растворимостью белок обладает при pН, равном его изоэлектрической точке: одинаковые заряженные молекулы отталкиваются, а если заряд снижается до нуля, электростатическое отталкивание уменьшается, и по мере приближения к ИЭТ молекулы притягиваются друг к другу (рис. 15Б).
Этот процесс называется изоэлектрическим осаждением. Ионная сила раствора определяется как m = 0.5SCiZi 2, где Ci и Zi - соответственно концентрация и заряд иона i. Для каждого данного электролита ионная сила пропорциональна его концентрации. Например, для элект- ролита Ap m+Bq n- при молярной концентрации C имеем: CA=pC, CB=qC и m = 0.5SC(pm2+qn2).
Ионы экранируют заряды белков и этим уменьшают силы отталкивания между однойменно заряженными молекулами, поэтому растворимость белков обычно снижается по мере уменьшения ионной силы раствора. Однако при высокой ионной силе растворимость белков тоже резко падает, и этот эффект называется высаливание. Высаливание происходит в результате гидратации ионов соли: когда свободных молекул воды остается мало, уменьшается гидратация белов, а следовательно, и их растворимость. Температура тоже оказывает действие на растворимость белков. Например, повышение температуры при высокой концентрации солей усиливает гидрофобные взаимодействия, повышая их энергетическую выгодность в растворе, и тем самым уменьшает растворимость белков. Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, но осаждаются спиртами; это используется для выделения и очистки нуклеиновых кислот.