Изоэлектрическая точка белков: что это такое и как она влияет на структуру
Изоэлектрическая точка (ИЭТ) - одна из важнейших характеристик белков, влияющая на их стабильность и биологические функции. От ИЭТ зависят растворимость, активность ферментов и другие свойства белковых молекул. Давайте разберемся, что такое изоэлектрическая точка, как ее определить и почему она имеет столь важное значение.
Определение и значение изоэлектрической точки
Изоэлектрическая точка (ИЭТ) — это то значение pH, при котором суммарный заряд белковой молекулы равен нулю. Иначе говоря, в изоэлектрической точке количество положительных и отрицательных зарядов на поверхности белка уравновешено.
Это фундаментальное понятие было введено в начале XX века известным физико-химиком М. Седербаумом, который писал:
"Изоэлектрическая точка позволяет предсказать поведение белковых молекул в растворе и является ключом к пониманию их природы."
Зная ИЭТ, можно определить, при каком значении pH:
- белок будет наименее растворим и выпадет в осадок;
- белок будет наиболее стабилен и сохранит свою структуру;
- фермент проявит максимальную каталитическую активность.
Поэтому ИЭТ имеет важнейшее практическое значение в биохимии, медицине, фармации и других областях.
Строение и заряд белковой молекулы. Что такое амфотерность?
Белки относятся к амфотерным соединениям, так как в их молекулах присутствуют функциональные группы, проявляющие как кислотные, так и основные свойства.
Кислотными свойствами обладают карбоксильные группы аминокислот Asp и Glu, основными — аминогруппы Lys, His и N-конца полипептидной цепи. При этом заряд этих групп сильно зависит от кислотности среды:
| pH среды | Заряд белка |
| Ниже ИЭТ | Положительный |
| Равен ИЭТ | Нейтральный |
| Выше ИЭТ | Отрицательный |
Таким образом, изменение кислотности среды приводит к изменению общего заряда белковой молекулы. Это свойство и называется амфотерностью.
Как определяется изоэлектрическая точка?
Изоэлектрическую точку можно рассчитать по следующей формуле:
ИЭТ = (pK1 + pK2)/2, где
pK1 и pK2 — константы диссоциации соответственно кислотных и основных групп.
Значение ИЭТ зависит от:
- первичной структуры белка, т.е. аминокислотной последовательности;
- пространственной организации молекулы;
- взаимодействия с лигандами и кофакторами.
Например, для лизоцима ИЭТ составляет 11,0. Это означает, что при pH=11,0 суммарный заряд всех ионогенных групп лизоцима будет равен нулю.
Связь изоэлектрической точки с растворимостью и осаждением белков
При pH, близком к изоэлектрической точке, растворимость большинства белков резко падает. Это объясняется уменьшением электростатического отталкивания молекул из-за снижения их заряда.
В области ИЭТ преобладают силы притяжения между незаряженными и слабозаряженными молекулами, что приводит к их ассоциации и осаждению.
Поэтому, чтобы осадить белок из раствора, достаточно довести pH до значения ИЭТ. На этом основаны многие методы выделения и очистки белков.
Однако следует учитывать, что выпавшие в осадок при ИЭТ белки часто теряют нативную структуру. Поэтому для сохранения их активности осаждение лучше проводить в присутствии солей или полимеров.
Роль изоэлектрической точки в формировании пространственной структуры белка
Изоэлектрическая точка играет важнейшую роль в формировании и стабилизации нативной конформации белков.
При pH выше или ниже ИЭТ возникают сильные электростатические взаимодействия между противоположно заряженными участками полипептидной цепи. Эти связи удерживают белок в компактном состоянии.
Например, фермент щелочная фосфатаза в кислой среде (pH ниже ИЭТ) теряет активность из-за нарушения взаимодействий между Lys и Asp/Glu и последующего разворачивания полипептидной цепи.
Таким образом, поддержание рН на уровне изоэлектрической точки крайне важно для стабильности как первичной, так и пространственной структуры белка.
Практическое использование изоэлектрической точки
Знание изоэлектрической точки белков активно используется в лабораторной практике и промышленности.
Одним из примеров является метод изоэлектрического фокусирования, позволяющий разделять смеси белков по их ИЭТ. Для этого создают градиент pH иммобилизованный в полиакриламидном геле. При наложении электрического поля белки перемещаются к области gel с pH, равной их ИЭТ.
Учет изоэлектрической точки необходим и при разработке оптимальных условий очистки и выделения белков. Например, установлено, что наилучшим pH для осаждения является значение на 0,5 единицы ниже ИЭТ целевого белка.
Изоэлектрическая точка пищеварительных ферментов
Ферменты желудочно-кишечного тракта проявляют максимальную активность в тех отделах, где значение pH близко к их собственной ИЭТ.
Так у пепсина ИЭТ составляет около 2,0. Именно поэтому в желудке поддерживается кислая среда (pH 1-3), оптимальная для расщепления белков пищи под действием пепсина.
Изменение изоэлектрической точки при патологии
При некоторых заболеваниях в организме накапливаются патологические белки с аномально высокой или низкой ИЭТ.
Например, при системной красной волчанке в крови появляются аутоантитела со сниженной ИЭТ. Это приводит к потере их растворимости и отложению комплексов антител в тканях суставов, почек, сердца.
Перспективы применения концепции изоэлектрической точки
Современные исследования расширяют использование ИЭТ для характеристики не только растворенных белков, но и белковых слоев на поверхностях.
Определение ИЭТ иммобилизованных белков позволит оптимизировать создание биосенсоров, клеточных культур и других биомедицинских технологий.
Вопросы для изучения
Изоэлектрическая точка - удивительное свойство белков, имеющее фундаментальное и прикладное значение. В заключение давайте подумаем над следующими вопросами:
- Как связана ИЭТ с механизмом действия ферментов?
- Как ИЭТ влияет на транспорт белков через клеточные мембраны?
- Можно ли использовать ИЭТ для доставки лекарств в организме?
Ответы помогут нам еще глубже понять эту важную характеристику белков.