 |
|
По биологическим функциям белки делятся на следующие.
1. Ферменты – высокоспецифические биокатализаторы биохимических реакций, лежащих в основе обмена веществ, мышечного сокращения, нервной проводимости и жизни клетки в целом. В настоящее время известно более двух тысяч ферментов.
2. Структурные белки – основа костной и соединительной тканей, шерсти и роговых образований. Они же формируют остов клеточных органелл, например коллаген, гликопротеиды.
3. Сократительные белки – белки, по единому механизму обеспечивающие работу мышц, движение жгутиков, расхождение хромосом при делении клетки, например актин, миозин.
4. Регуляторные белки делятся на две группы: 1) гормоны – вещества, которые секретируются эндокринными железами и осуществляют регуляцию биохимических и биофизических процессов в клетках и организме в целом, например пролактин, соматотропин; 2) регуляторы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот.
5. Рецепторные белки располагаются на наружной поверхности плазматической мембраны и воспринимают действие различных сигналов внешней среды (5 органов чувств), а также регуляторные сигналы организма, в том числе гормональные, генерируя при этом электрический импульс.
Эти белки играют важную роль в передаче нервного возбуждения и в хемотаксисе (ориентированное движение клеток).
6. Транспортные белки делятся на две группы: 1) системные транспортные белки – переносчики различных нерастворимых в воде веществ с током крови, например, гемоглобин осуществляет перенос кислорода, альбумин перенос липидов; 2) мембранные белки – переносчики простых веществ и ионов (ионные каналы) осуществляют перенос через клеточные мембраны.
7. Белки биоэнергетической системы осуществляют преобразование и утилизацию энергии, поступающей в организм с пищей, а также энергии солнечного излучения, например цитохромы, родопсин.
8. Иммуноглобулины отвечают за иммунитет и обеспечивают защиту высших организмов от действия болезнетворных факторов.
9. Белки системы свертывания крови, например тромбин, фибрин.
10. Пищевые и запасные белки обеспечивают развитие и функционирование организмов, например казеин, проламины.
1.2.2.3.3. Физико-химические свойства белков
Физико-химические свойства белков определяются их высокомолекулярной природой, компактностью укладки полипептидных цепей и взаимным расположением остатков аминокислот. Молекулярная масса белков варьирует от 5∙103 Да до 106∙Да. Максимум поглощения белков в УФ-области спектра, обусловленный наличием ароматических аминокислот, находится вблизи 280 нм. Максимум поглощения, обусловленный наличием атома азота пептидной группы, лежит в зоне 185-240 нм. В ИК-спектрах белков наблюдаются полосы поглощения около1600 и в зоне 3100-3300 см-1.
В растворах белки амфотерны. Изоэлектрические точки белков могут иметь значения от <1,0 (у пепсина) до 10,6 (у цитохрома с) и выше.
Боковые группы аминокислотных остатков способны вступать во многие реакции, характерные для аминокислот. Белки дают ряд цветных реакций, обусловленных наличием определенных аминокислотных остатков или химических группировок. К важнейшим из них относятся биуретовая реакция (пептидная связь), ксантопротеиновая реакция (ароматические ядра остатков тирозина, триптофана, фенилаланина), Миллона реакция и Фолина-Чиокалтеу реакция (фенольный радикал тирозина), Паули реакция (имидазольное кольцо гистидина), Сакагучи реакция (гуанидиновая группа аргинина) и нингидриновая реакция (аминогруппа). Сущность всех этих реакций рассмотрена в разделе «Химические свойства аминокислот».
Следует заметить, что реакция с сульфатом меди, характерная как для белков, так и для α-аминокислот, дает разные прояления: белки дают с биуретовым реактивом фиолетовое окрашивание, а α-аминокислоты – синее. Это различие в окраске комплексов обусловлено различием в их строении. Медные комплексы с аминокислотами имеют хелатное строение. Медные комплексы с белками образуются путем замены атома водорода, образующего вородную связь между пептидными фрагментами.
1.2.2.3.4. Выделение белков
Первым этапом выделения белков является получение соответствующих органелл (рибосом, митохондрий, ядер, цитоплазматических мембран), что осуществляется с помощью дифференциального центрифугирования. Далее белки переводят в раствор путем экстракции буферными растворами солей и детергентов, иногда – 70-80%-ным спиртом. Затем осуществляют фракционное осаждение белков неорганическими солями (обычно (NH4)2SO4), этанолом, ацетоном или путем изменения рН, ионной силы, температуры раствора. Для предотвращения денатурации работу проводят при пониженной температуре (обычно около 4°С). С целью исключения протеолиза используют ингибиторы протеаз. Иногда белки стабилизируют многоатомными спиртами, например глицерином, сахарозой и др. Дальнейшую очистку выделенных продуктов проводят по схемам, специально разработанным для отдельных белков.
Наиболее распространенными методами разделения являются гель-хроматография, ионообменная и адсорбционная хроматография. Наиболее эффективными методами разделения в настоящее время являются жидкостная хроматография высокого давления и аффинная хроматография.
Критерием чистоты белка является гомогенность при электрофорезе, хроматографии и ультрацентрифугировании.
Контрольные вопросы, задачи и упражнения
1. Сколько оптических изомеров имеет треонин? Напишите их проекционные формулы и назовите их по R,S системе.
2. Назовите L-аланин по R,S системе.
3. Обладает ли оптической активностью природный цистин?
4. Известно, что удельное вращение α-аминокислот в кислой среде с течением времени изменяется. Как вы это объясните?
5. Удельное вращение аминокислот зависит от рН среды. Как это можно объяснить?
6. Почему температура плавления не дает достоверной информации ни о природе, ни о чистоте аминокислоты?
7. УФ-спектры глицина и аланина практически одинаковы, а Уф-спектр фенилаланина существенно отличается от их спектров. Как это объясняется?
8. Можно ли методом ПМР-спектроскопии отличить глицин от аланина? Поясните, в чем будет заключаться отличие.
9. Изолейцин и фенилаланин, которые имеют практически одинаковые температуры плавления, можно различить спектральными методами. Укажите отличительные признаки этих аминокислот (характеристические частоты, максимум поглощения, химические сдвиги, мультиплетность сигналов), по которым они отличаются в ИК-, Уф– и ПМР-спектрах.
10. Какая из аминокислот проявляет более кислые свойства – глутаминовая кислота или глутамин?
11. Какая из аминокислот проявляет более основные свойства – лизин или
лейцин?
12. Определить изоэлектрическую точку аланина, если известно: рКа аланина = 2,35; 9,87.
13. Определить, при каком значении рН растворимость аспарагина в воде минимальна, если рКa аспарагина = 2,14; 8,72.
14. Можно ли глутамин и глутаминовую кислоту определять алкалиметрически в водной среде?
15. В пробирки, содержащие равные объемы формалина и 1%-ного раствора глицина, добавляют по 1 капле раствора индикатора метилового красного – оба раствора приобретают одинаковую желтую окраску. Затем растворы смешивают – окраска смеси становится красной. Объясните полученный результат.
16. Можно ли аминокислоты разделить методом гель-фильтрации?
17. Какие методы и реакции лежат в основе работы аминокислотного анали-затора?
18. Что представляет собой ДЭАЭ-целлюлоза и для чего она используется?
19. В одной из двух пробирок находится раствор глутаминовой кислоты, в другой – пролина. В обе пробирки добавили уксусную кислоту и затем раствор нитрита натрия. Что при этом будет наблюдаться? Можно с помощью этой пробы отличить пролин от глутаминовой кислоты?
20. Можно ли с помощью реактивов (меди сульфат и натрия гидроксид) отличить раствор аминокислот от раствора белка?
21. Как с помощью реактивов (азотная кислота и едкий натр) отличить тирозин от фенилаланина?
22. Можно ли с помощью реакции Фоля отличить цистеин от метионина?
23. Есть ли химические методы, позволяющие отличить цистеин от цистина?
24. С помощью каких реакций можно доказать наличие в глутатионе остатка глутаминовой кислоты?
25. Какое значение рН у водного раствора глутатиона – больше или меньше 7?
26. Реактив Эрлиха реагирует со всеми первичными алифатическими и ароматическими аминами, в том числе и со всеми аминокислотами, давая обычно желтые или оранжевые окраски; только с триптофаном он дает яркое пурпурно-синее окрашивание. Предложите химическую интерпретацию этой реакции.
27. Реактив Паули для открытия гистидина используют свежеприготовленный и охлажденный. С чем это связано?
28. Дает ли триптофан положительную реакцию с реактивом Паули?
29. В реакции Сакагучи в качестве реагента используются α-нафтол и гипобромид натрия. Можно ли вместо α-нафтола использовать β-нафтол, или 8-оксихинолин, а вместо гипобромида – гипохлорид?
30. На каких свойствах тирозина основана реакция его открытия с помощью реактива Фолина-Чиокалтеу?
31. Объясните, почему торсионный угол ω в большинстве полипептидов равен 180О или близок к нему, в то время как торсионные углы ψ и φ могут изменяться в широком диапазоне.
32. Почему правая α-спираль энергетически более выгодна, чем левая α-спираль, ведь они являются зеркальным отражением друг друга?
33. Какие процессы происходят при денатурации белков?
34. Почему необратимо денатурированные белки не растворяются в воде?
35. Что понимается под обратимой денатурацией и как она используется для выделения белков?
36. При ферментативном гидролизе неизвестного тетрапептида в продуктах его гидролиза были обнаружены 3 дипептида: Ala-Phe, Met-Ala и Phe-Gly. Определите первичную структуру тетрапептида.
37. Навеску полипептида 0,384 г оттитровали 0,1М раствором едкого натра в водно-спиртовой среде. На титрование пошло 10,55 мл титранта. Молекулярная масса полипептида – 1820 Да. Определить количество свободных карбоксильных групп в молекуле полипептида.
38. Какие методы количественного анализа белков известны? Дайте их сравнительную характеристику.
39. Что понимают под термином глюкогенные аминокислоты?
40. Какие белки называют неполноценными? Какие пути повышения пищевой ценности белковых продуктов вам известны?
2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
2.1. Идентификация аминокислот и белков
2.1.1. Общие качественные реакции аминокислот
Термины «общие качественные реакции» и «специфические качественные реакции» приемлемы в отношении аминокислот. Общие реакции характерны для всех аминокислот, а специфические – только для отдельных. В то же время специфические реакции для аминокислот являются общими для многих, хотя и не для всех белков, потому что в их состав входит широкий круг аминокислот. Например, все белки, содержащие тирозин, можно определить специфической реакцией Фолина-Чиокалтеу на тирозин. Большинство белков содержит аминокислоты с ароматическими ядрами, поэтому практически все белки будут давать положительную ксантопротеиновую реакцию. В то же время общие реакции на белок являются специфическими в отношении других классов природных веществ – липидов, углеводов и т.д.
Опыт 1. Реакция с азотистой кислотой.В две пробирки помещают по 1 мл 1%-ных растворов глицина и альбумина. В каждую пробирку добавляют по 1 мл 5%-ного раствора нитрита натрия, затем по 0,5 мл уксусной кислоты и осторожно встряхивают. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнение реакции глицина с нитритом натрия и уксусной кислотой.
2. В основе какого метода количественного анализа аминокислот лежит эта реакция? Можно ли этот метод использовать для анализа белка?
3. Реагирует ли нитрит натрия с уксусной кислотой с выделением газа? Можно ли вместо уксусной кислоты использовать HCl или H2SO4?
4. Почему при действии нитрита натрия и уксусной кислоты на раствор белка той же концентрации, что и раствор аминокислоты, газовыделение гораздо меньше?
Опыт 2. Биуретовая реакция.В две пробирки помещают по
1 мл 1%-ных растворов глицина и альбумина. В каждую пробирку добавляют по 1 мл 10%-ного раствора едкого натра и по стенке добавляют 4-5 капель 2%-ного раствора сульфата меди. В пробирке с аминокислотой появляется синее окрашивание, а с белком – фиолетовое. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнения реакций глицина и биурета с сульфатом меди в щелочной среде.
2. В основе каких методов количественного анализа аминокислот и белков лежит биуретовая реакция?
3. Реагирует ли сульфат меди с едким натром в отсутствие аминокислоты или белка? Какое проявление при этом наблюдается?
4. Почему белки дают более глубокое окрашивание, чем аминокислоты, при реакции с солями меди?
5. Дают ли пептиды такое же окрашивание, что и белки?
6. Какова роль едкого натра в этой реакции? Реагируют ли аминокислоты и белки с CuSO4, CuСO3 без добавления едкого натра?
Опыт 3. Реакция с нингидрином.В три пробирки помещают по 1 мл 1%-ных растворов глицина, γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) и альбумина. В каждую пробирку добавляют 2 капли 1%-ного водного раствора нингидрина. Пробирки нагревают почти до кипения в течение 1-2 мин. Во всех пробирках появляется окрашивание, но не везде одинаковое. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнения реакций глицина и ГАМК с нингидрином.
2. В основе каких методов количественного анализа аминокислот и белков лежит реакция с нингидрином?
3. В чем заключается химическая сущность работы аминокислотного анализатора?
4. Появится ли окраска при проведении реакции нингидрина с глицином в кислой или щелочной среде?
5. При попадании раствора нингидрина на кожу через некоторое время появляются несмываемые сине-фиолетовые пятна. Как это объяснить?
6. Все ли аминокислоты дают с нингидрином сине-фиолетовое окрашивание?
Опыт 4. Реакция с формальдегидом.В две пробирки помещают по 2 мл 1%-ных водных растворов глицина и альбумина, в третью пробирку помещают 4 мл формалина. В каждую из пробирок добавляют по одной капле раствора индикатора метилового красного. Во все пробирках появится желтое окрашивание. Затем желтый раствор формалина из третьей пробирки разделите поровну и каждую половину добавьте к желтым растворам глицина и альбумина. В пробирке с глицином смесь окрасится в красный цвет. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнение реакции глицина с формальдегидом.
2. Какими кислотно-основными свойствами обладает продукт реакции глицина с формальдегидом?
3. Почему окраска в пробирке с раствором альбумина практически не изменилась?
4. Можно ли эту реакцию использовать для количественного определения аминокислот алкалимитрическим методом в водной среде?
5. Чему равна молярная масса эквивалента глутаминовой кислоты при определении её методом формольного титрования по Сёренсену?
2.1.2. Специфические качественные реакции аминокислот
Опыт 5. Ксантопротеиновая реакция.В четыре пробирки помещают по 1 мл 1%-ных водных растворов глицина, фенилаланина и альбумина и 1%-ного раствора тирозина в 1М серной кислоте*.
В каждую пробирку добавляют 4 капли концентрированной азотной кислоты и осторожно нагревают на кипящей водяной бане 1-2 мин до появления окрашивания. Охлаждают под струей водопроводной воды. Зарегистрируйте произошедшие на этом этапе изменения (появление окрашивания, осадка, отсутствие изменений). Сначала в пробирку с тирозином добавляют 10%-ный раствор едкого натра ~ 1,5 мл до изменения окраски. Затем такой же объем щелочи добавляют в остальные пробирки. Зарегистрируйте произошедшие изменения и объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнения реакций тирозина и фенилаланина с азотной кислотой.
2. Напишите уравнение реакции нитротирозина с едким натром.
3. Будет ли ксантопротеиновая реакция положительной для таких пептидов, как глютатион и ангиотензин I?
4. Какие природные соединения мешают определению белка этим методом?
5. Почему при попадании азотной кислоты на кожу на ней появляются несмываемые желтые пятна?
6. Можно ли с помощью этого метода отличить фенилаланин от тирозина и тирозин от триптофана?
Опыт 6. Реакция Миллона.В три пробирки помещают по 1 мл 1%-ных водных растворов фенилаланина и альбумина и 0,05%-ного водного раствора тирозина. В каждую пробирку добавляют по 3 капли реактива Миллона и смесь медленно нагревают до начинающегося кипения. Охлаждают и через 10 мин регистрируют появившиеся изменения. Объясните наблюдаемые явления.
* Приготовление реактива Миллона. Растворяют 1 вес.ч. ртути в 2 вес. ч. Концентрированной азотной кислоты (ρ 1,42) сначала на холоду, затем при нагревании. Раствор разбавляют двукратным количеством воды и через несколько часов фильтруют.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнения реакций тирозина с компонентами реактива Миллона.
2. Можно ли с помощью этого метода отличить фенилаланин от тирозина?
3. Какие природные соединения мешают определению тирозина этим методом?
4. Предложите альтернативный способ приготовления реактива Миллона.
Опыт 7. Реакция с реактивом Эрлиха.В три пробирки помещают по 1 мл 1%-ных водных растворов глицина, триптофана и гидрохлорида анилина. В каждую пробирку добавляют по 0,5 мл 2%-ного раствора n-диметиламинобензальдегида в 5%-ной хлористоводородной кислоте и выдерживают при комнатной температуре несколько минут или слегка нагревают теплой водой до появления окрасок. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнения реакций глицина и анилина с n-диметиламинобен-зальдегидом.
2. Предложите объяснение возникновения более глубокой окраски при взаимодействии реактива Эрлиха с триптофаном по сравнению с другими аминокислотами.
3. Можно ли эту реакцию использовать для открытия остатка триптофана в белке?
Опыт 8. Реакция Сакагучи.В четыре пробирки помещают по
1 мл 1%-ных водных растворов глицина, стрептомицина сульфата, аргинина и альбумина В каждую пробирку добавляют по 0,5 мл свежеприготовленного 0,2%-ного раствора α-нафтола в 10%-ном растворе едкого натра, перемешивают и затем добавляют 1 мл раствора гипобромида натрия*. В некоторых пробирках появляется оранжево-красное окрашивание. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнение реакции аргинина с α-нафтолом в присутствии едкого натра и гипобромида натрия.
2. Можно ли вместо α-нафтола в этой реакции использовать, например, 8-оксихинолин или другие фенолы?
3. Какая функциональная группа молекулы аргинина обуславливает реакцию Сакагучи?
4. Объясните, почему стрептомицина сульфат, не являющийся аминокислотой, дает положительную реакцию Сакагучи, а аминокислота глицин – нет.
5. Можно ли в реакции Сакагучи использовать другие окислители вместо гипобромида, и если можно, то какие?
Опыт 9. Реакция с нитропруссидом натрия.В две пробирки помещают по 10-20 мг цистина и цистеина и по 1 мл 1М раствора едкого натра, а в третью – 1 мл 1%-ного водного раствора альбумина. В каждую пробирку добавляют по 1 мл раствора нитропруссида натрия**, перемешивают и наблюдают появление окрасок. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнение реакции цистеина с нитропруссидом натрия.
2. В связи с чем для создания щелочной среды в этой реакции используется аммиак, а не раствор едкого натра?
3. Можно ли с помощью этой реакции установить, в какой форме находится глютатион – окисленной или восстановленной?
4. Будет ли положительной нитропруссидная реакция на метионин и цистин, если их щелочные растворы предварительно прокипятить?
5. Какие вещества мешают определению цистеина с помощью этой реакции?
Опыт 10. Реакция Фоля.В пробирку помещают 0,5 мл 5%-ного раствора ацетата свинца и по каплям прибавляют 30%-ный раствор гидроксида натрия до растворения первоначально образующегося осадка. Затем к полученному раствору добавляют 0,5 мл исследуемого раствора белка с концентрацией 1-10 мг/мл и кипятят 1-2 мин. Появляется темное окрашивание или осадок. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Остатки каких аминокислот в молекуле белка обуславливают положительную реакцию Фоля?
2. Напишите уравнения реакций, происходящих при открытии белка по методу Фоля.
3. Можно ли в этой реакции использовать аммиак вместо едкого натра?
4. Можно ли с помощью реакции Фоля отличить цистеин от цистина и метионина?
Опыт 11. Реакция Паули.В две пробирки помещают по 1 мл 1%-ных водных растворов гистидина и альбумина и добавляют в каждую по 1 мл 1М раствора едкого натра. Затем в пробирки добавляют по 0,5 мл свежеприготовленного реактива Паули* и перемешивают. Сразу же появляется красная окраска. Объясните наблюдаемые явления.
* Приготовление раствора Паули. Готовят 1%-ный раствор сульфаниловой кислоты в 1М HCl и 5%-ный водный раствор нитрита натрия и выдерживают их в холодильнике. Равные объёмы этих растворов смешивают непосредственно перед применением (смешанный раствор – реактив Паули – годен лишь несколько часов даже при хранении в холодильнике).
Контрольные вопросы
1. Какое действующее вещество реактива Паули?
2. Реактив Паули нестоек. Что с ним происходит при хранении?
3. Напишите уравнение реакции гистидина с реактивом Паули.
4. На наличие остатков каких аминокислот в молекуле белка указывает положительная реакция Паули?
5. Дает ли тирозин положительную реакцию Паули?
6. Мешают ли определению гистидина катехоламины, например адреналин?
7. Можно ли с помощью реакции Паули отличить гистидин от гистамина?
Опыт 12. Реакция с резорцином на глутаминовую кислоту и глутамин.В небольшую фарфоровую чашечку помешают 10-15 мг глутаминовой кислоты (если исследуется раствор, то его упаривают в этой же чашечке) и 10-15 мг резорцина. К смеси добавляют 1 каплю концентрированной серной кислоты и, перемешивая стеклянной палочкой, осторожно нагревают до образования плава красного цвета (под тягой). Охлаждают и подщелачивают раствором аммиака. Плав растворяется, и раствор приобретает красно-фиолетовую окраску. Объясните наблюдаемые явления.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнения реакций, происходящих при сплавлении глутаминовой кислоты с резорцином в присутствии серной кислоты.
2. Почему при подщелачивании плава происходит углубление окраски? Можно ли вместо аммиака использовать для подщелачивания раствор едкого натра?
3. Дают ли такую же реакцию близкие по строению к глютаминовой кислоте и глютамину аспарагиновая кислота и аспарагин?
4. Можно ли с помощью этой реакции открыть глутаминовую кислоту, входящую в состав белка?
5. При нагревании α-аминокислот они образуют дикетопиперазины. А что происходит при нагревании глютаминовой кислоты?
2.1.3. Хроматографические методы разделения
и идентификации аминокислот и белков
Хроматография – один из современных методов разделения, очистки, выделения и идентификации аминокислот, пептидов и белков. Метод основан на различном распределении веществ между двумя фазами: неподвижной, которая может быть твердой или жидкой, и подвижной фазой – потоком жидкости или газа, несущим анализируемую смесь веществ. Хроматографические методы классифицируются по характеру взаимодействий, лежащих в основе разделения, по агрегатному состоянию фаз, по технике выполнения анализа и аппаратурному оформлению.
По принципу разделения хроматографические методы делятся на адсорбционные, распределительные, ионообменные и гель-фильтрацию.
В основе адсорбционных методов лежит явление адсорбции на поверхности твердых тел, и поэтому основными параметрами, определяющими эффективность разделения веществ, являются коэффициент адсорбции и в меньшей степени растворимость в подвижной фазе. В распределительных методах хроматографии фактором, определяющим эффективность разделения, является константа распределения вещества между фазами; в ионообменных – константа диссоциации вещества, заряд молекулы и ее ионный диаметр; в гель-фильтрации – эффективный диаметр молекулы.
По агрегатному состоянию фаз, технике анализа и его аппаратурному оформлению различают адсорбционную газовую, газожидкостную (ГЖГ), высокоэффективную жидкостную (ВЭЖХ), бумажную (БХ), тонкослойную (ТСХ), колоночную и другие виды хроматографии.
В анализе аминокислот и полипептидов, включая белки, наибольшее распространение получили методы БХ, ТСХ, ВЭЖХ и гель-фильтрации. Для анализа аминокислот и низкомолекулярных пептидов широко применяются БХ и ТСХ на стандартных пластинках «Silufol», вследствие достаточно высокой эффективности разделения, простоты аппаратурного оформления и анализа. Из приборных методов анализа аминокислот основным является метод ионообменной хроматографии, лежащий в основе работы аминокислотного анализатора. Для анализа белков и крупных пептидов широко используется гель-фильтрация.
Ионообменная хроматография.Основу этого метода составляет ионное взаимодействие между веществом и неподвижной фазой.
В качестве неподвижной фазы используются ионообменные смолы, нерастворимые в воде и органических растворителях. В зависимости от того, с какими ионами взаимодействует ионообменная смола, различают катиониты (взаимодействуют с катионами) и аниониты (взаимодействуют с анионами):
R-AnˉH+ + Na+ R-AnˉNa+ + H+
Катионит
R-Kt+OHˉ + Clˉ R-Kt+Clˉ + OHˉ
Анионит
Разделение вешеств происходит потому, что константы равновесия в указанных процессах для разных веществ разные.
Наиболее распространенными ионизированными группами катионитов являются сульфо– и карбоксильная группы. Аниониты в качестве ионизированной группы содержат первичную, вторичную, третичную или четвертичную аммонийные группы. Полимерным каркасом ионитов часто служат «сшитые» сополимеры стирола и дивинилбензола. В биохимической практике широко используются иониты на основе простых эфиров целлюлозы – карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и диэтиламиноэтилцеллюлоза (ДЭАЭ-целлюлоза), в которых ионогенными группами являются –CH2COOH и -CH2CH2NH(C2H5)2+OHˉ группы соответственно.
Этот метод осуществляется обычно в колоночном варианте. Он прочно вошел в арсенал аналитических методов биохимии. Типичным примером использования метода является разделение сложных смесей аминокислот, получаемых в результате гидролиза белков, на катионитах. Аминокислоты, связанные с катионитом, элюируют (вымывают из колонки) хлористоводородной кислотой. При этом аминокислоты выходят из колонки в определенной последовательности в зависимости от их кислотно-основных свойств:
R-AnˉH+ + H2NCHRCOOH R-AnˉH3N+CHRCOOH
связывание аминокислоты с катионитом
R-AnˉH3N+CHRCOOH + H+ R-AnˉH+ + H3 N+CHRCOOH
элюирование аминокислоты
На этом принципе основана работа автоматического аминокислотного анализатора. Элюирование в этом приборе осуществляется растворами с изменяющимся по определенной программе значением рН, что позволяет разделить смеси всех белковых аминокислот на одной колонке за один раз.
На рис. 2.1 приведена хроматограмма продуктов гидролиза рибонуклеазы, полученная на аминокислотном анализаторе.
1 – Asp, 2 – Thr,
3 – Ser, 4 – Glu
5 – Pro, 6 – Gly,
7 – Ala, 8 – Cys,
9 – Val, 10 – Met,
11 – Ile, 12 – Leu,
13 – Tyr, 14 – Phe.
Время удерживания
Р и с.2.1. Хроматограмма продуктов гидролиза рибонуклеазы
Гель-хроматография (гель-фильтрация). Этот метод применяется главным образом в химии природных соединений и биохимических исследованиях. Он. основан на диффузионных свойствах гелей, образуемых некоторыми полимерами – декстранами или полиакриламидом (сефадексы и биогели). При пропускании через слой геля смеси веществ с различной молекулярной массой, следовательно, различающихся по размеру молекул, более мелкие молекулы проникают в гранулы геля, а более крупные свободно проходят с растворителем мимо гранул. В результате первыми элюируются наиболее крупные молекулы и далее – по мере уменьшения их размера. Поскольку размер пор в гранулах не может быть идеально стандартизирован, то удовлетворительные результаты этот метод дает только при разделения веществ, отличающихся по молекулярной массе не менее, чем на 300-400 единиц. Именно поэтому этот метод применяется для разделения крупных веществ, например полисахаридов, пептидов, белков, полинуклеотидов.
Тонкослойная хроматография (ТСХ). Этот метод относится к адсорбционным и является одним из самых быстрых, простых и доступных методов хроматографического анализа. Хроматографирование осуществляется на пластинке, равномерно покрытой слоем адсорбента. Выпускаются готовые стандартные пластинки для тонкослойной хроматографии марки «Силуфол» из алюминиевой фольги, покрытой закрепленным слоем силикагеля.
Нанесение пробы. Анализируемую пробу раствора наносят с помощью микрокапилляра на пластинку на расстоянии 6-8 мм от ее края. Если проба представляет собой сухую смесь, то её растворяют полностью желательно в неполярном и легко испаряющемся растворителе. Если такого растворителя нет, растворяют в любом подходящем кроме растворов минеральных кислот и щелочей. В любом случае после нанесения пробы необходимо пластинку выдержать некоторое время до полного испарения растворителя.
Для получения качественных хроматограмм с выраженными пятнами необходимо соблюдать ряд правил: размер пятна в диаметре не должен превышать 2-3 мм; количество вещества в пятне не должно быть слишком большим (обычно для анализа достаточно 1-20 мкг). При несоблюдении этих правил получаются слишком большие вытянутые в длину пятна (пятна с «хвостами»), и вещества с близкими значениями Rf сольются в одно пятно. Именно поэтому для нанесения пятен используют микрокапилляры, которые можно сделать самостоятельно из капилляров для определения температуры плавления на спиртовке. Ширина и высота хроматографической пластинки, которую необходимо отрезать от продажной пластинки, выбираются с учетом поставленной задачи. Например, если на пластинку необходимо нанести сразу три пятна, то ширина пластинки должна составлять 20-25 мм, а если одно – 10-12 мм.
Высота пластинки для анализа смесей, содержащих не более 3 компонентов, достаточна 7-8 см. Линию старта и линию финиша целесообразно отметить тонким твердым графитовым карандашом.
Хроматографирование. Перед началом хроматографирования камера должна быть подготовлена (рис. 2.2). Большую часть стенок камеры обкладывают фильтровальной бумагой, оставляя свободную часть для наблюдения за пластинкой. Фильтровальную бумагу смачивают элюентом и наливают слой элюента высотой 3-4 мм. Камеру закрывают крышкой. Высушенную хроматографическую пластинку с нанесенными образцами аккуратно пинцетом помещают в хроматографическую камеру и закрывают ее пришлифованной крышкой. При помещении пластинки в камеру нанесенные пробы не должны оказаться ниже уровня жидкости. Наблюдают за поднятием фронта растворителя и, когда он достигнет линии финиша, пластинку вынимают из камеры и подсушивают. В качестве элюентов для эффективного разделения аминокислот применяется ряд обшепринятых систем (табл. 2.1).
Проявление хроматограмм. При хроматографировании бесцветных веществ их пятна необходимо обнаружить на хроматограмме. Это делается либо просмотром пластинки под ультрафиолетовой лампой, либо химическими методами. Самым общеупотребительным реагентом для проявления хроматограмм разпичных веществ является йод, который помещают в йодную камеру (обычно эксикатор). Пластинку помещают на 10 -20 с в йодную камеру, вынимают и карандашом отмечают быстро исчезающие коричневые пятна. Если йод приемлем для проявления хроматограмм широкого круга веществ, то нингидрин применяют лишь для проявления пятен аминокислот и пептидов. Однако используется не водный раствор, а ацетоновый с концентрацией 0,25% (масс./об.), поскольку вода может смыть пятна. Пластинку лучше быстро окунуть в раствор, но можно и опрыскивать аккуратно под тягой, чтобы не попасть на руки. После этого пластинку нагревают при 100ºС в течение 5 мин. Аминокислоты дают пурпурные пятна; гистидин и глицин – красно-серые; фенилаланин, тирозин и аспарагиновая кислота – синие; триптофан – коричневые; аспарагин – грязно-желтые; пролин – желтые. Чувствительность метода варьирует в диапазоне от 0,2 мкг для глицина до 2 мкг для гистидина.
Таблица 2.1
RF для аминокислот при разделении методом хроматографии на бумаге
| L-Аминокислота | RF | |
| н-Бутанол – 12 Уксусная кислота – 3 Вода – 5 | н-Бутанол – 1* пиридин – 1 вода – 1 | |
| Глицин | 0,23 | 0,29 |
| Аланин | 0,30 | 0,37 |
| Серин | 0,22 | 0,33 |
| Цистеин | 0,08 | 0,14 |
| Аспарагиновая к-та | 0,23 | 0,20 |
| Аспарагин | 0,12 | 0,20 |
| Фенилаланин | 0,60 | 0,63 |
| Тирозин | 0,45 | 0,60 |
| Триптофан | 0,50 | 0,62 |
| Гистидин | 0,23 | 0,29 |
| Валин | 0,51 | 0,48 |
| Треонин | 0,26 | 0,36 |
| Метионин | 0,50 | 0,53 |
| Глутаминовая к-та | 0,28 | 0,20 |
| Глутамин | 0,17 | 0,23 |
| Лейцин | 0,70 | 0,60 |
| Изолейцин | 0,67 | 0,56 |
| Аргинин | 0,15 | 0,15 |
| Лизин | 0,12 | 0,13 |
| Пролин | 0,34 | 0,34 |
* Указаны объёмные части.
После проявления хроматограмм рассчитывают хроматографические константы RF (от англ. ratio of fronts – отношение фронтов, рис. 2.3). При четком выполнении рекомендованных условий они могут применяться для идентификации.
RF вещества А рассчитывают как отношение длины пробега от линии старта до центра пятна А к фронту растворителя, т.е. RFА =
= А/F. Аналогично RF В = В/F (см. рис. 2.3). Полученные величины RF сравнивают с табличными. Однако такая идентификация весьма ненадежна, поскольку RF весьма вариабельна и зависит от многих факторов. Если исследуется препарат, в котором предполагается наличие определенных аминокислот, то на пластинку необходимо нанести свидетели, т.е. растворы предполагаемых веществ. Это увеличивает достоверность анализа.
Бумажная хроматография (БХ) широко применяется для анализа аминокислот и других полярных соединений: высших карбоновых кислот, высших спиртов, фенольных соединений и др. Носителем неподвижной фазы служит хроматографическая бумага – особый тип фильтровальной бумаги высокой чистоты и равномерной плотности. В зависимости от плотности бумага подразделяется на медленную, среднюю и быструю.
Неподвижной фазой, если бумага специально не обработана, является вода, находящаяся в порах целлюлозы (около 14-20% в воздушно-сухой целлюлозе). По технике выполнения нет принципиального отличия от ТСХ, если фронт растворителя движется снизу вверх (восходящая БХ). Однако лист бумаги не прислоняют к стенке камеры как пластинку, а всегда подвешивают в хроматографической камере вертикально. Для этого по диаметру стакана натягивают и приклеивают к наружным стенкам камеры тонкую нитку. Длина бумажной полоски равна расстоянию от дна стакана до верхнего края плюс еще 1 см. На бумаге делают сгиб и за этот сгиб подвешивают ее на нить так, чтобы ее нижний конец лишь касался дна, и закрывают крышку.
Опыт 13. Идентификация аминокислот методом ТСХ и БХ.На бумажную полоску наносят пятно исследуемого раствора аминокислоты, как описано выше, высушивают и хроматографируют в одной из систем, приведенных в табл. 2.1. Бумагу высушивают, смачивают 0,25%-ным раствором нингидрина в ацетоне и после испарения ацетона нагревают 5 мин в сушильном шкафу при 100ºС. Вычисляют RF и, сопоставляя его с данными табл. 2.1, делают заключение о подлинности препарата.
Практическая контрольная работа по идентификации
аминокислот и белков химическими
и хроматографическими методами
Задание. Каждый студент получает 10 мл раствора, содержащего неизвестное количество неизвестных аминокислот. Раствор может также содержать белок.
Цель работы– определить, какие аминокислоты содержатся в исследуемом растворе и есть ли в нем белок.
Алгоритм выполнения:
1. Установить, есть ли в растворе белок.
2. Если есть белок, удалить его, а оставшийся раствор продолжать исследовать.
3. Хроматографировать исследуемый раствор на бумаге в любой из систем, приведенных в табл. 2.1.
4. Сделать предварительное заключение о наличии возможных аминокислот, отбросив явно неподходящие.
5. Провести специфические реакции на предполагаемые аминокислоты
6. Если химическими методами будут обнаружены какие-либо аминокислоты, провести БХ с использованием свидетелей.
7. Если не все ингредиенты раствора после этого будут идентифицированы, провести БХ и ТСХ в двух системах с использованием свидетелей.
8. Все этапы работы запротоколировать и сделать мотивированное заключение.
2.2. Количественный анализ аминокислот и белков
2.2.1. Титриметрические методы анализа аминокислот
Как видно из данных табл. 1.4, аминокислоты нельзя титровать ни кислотами, ни щелочами в водной среде, однако их можно определять методами неводного титрования – титрованием хлорной кислотой в среде ледяной уксусной кислоты или титрованием этилатом натрия в диметилформамиде. Эти методы приемлемы лишь для анализа сухих образцов и непригодны для определения аминокислот в водных растворах, поэтому их применение в биохимии не представляет интереса. Из всех протеиногенных аминокислот лишь аспарагиновую и глутаминовую аминокислоты можно определять алкалиметрически в водной среде, поскольку их кислые свойства выражены достаточно сильно за счет наличия в их молекулах двух карбоксильных групп.
Тем не менее есть два общих метода алкалиметрического титрования, которые позволяют проводить анализ водных растворов любых аминокислот.
Первый метод разработан еще в 20-х гг. прошлого века биохимиком Сёренсеном в период его работы в Баварской пивной компании, когда перед ним встала задача определения аминокислот в пиве. Сущность метода рассмотрена ранее.
Второй метод заключается в титровании водного раствора аминокислоты, разбавленного в 10 раз 96%-ным этиловым спиртом, 0,1М водным раствором КОН с индикатором тимолфталеином. По этому методу определяют содержание карбоксильных групп в небольших полипептидах, которые не осаждаются спиртом, и в белковых гидролизатах, предварительно обработанных катионитами.
Еще одним общим методом титриметрического анализа аминокислот является йодометрический метод, который приемлем для анализа кислых белковых гидролизатов. Метод основан на следующих реакциях и операциях:
Сначала получают суспензию ортофосфата меди и обрабатывают этой суспензией, взятой в избытке, в присутствии боратного буфера исследуемый раствор аминокислоты.
3CuSO4 + 2Na2НPO4 + 2NaOH Cu3(PO4)2 + 3Na2SO4 + 2H2O
 |
I2 + 2 Na2S2O3 2 NaI + Na2S4O6
При этом образуется растворимая комплексная медная соль аминокислоты, которую отфильтровывают от избытка ортофосфата меди. Аликвотную часть фильтрата обрабатывают избытком йодида калия в присутствии уксусной кислоты и выделившийся йод оттитровывают тиосульфатом натрия. Молярная масса эквивалента аминокислоты равна двум молекулярным массам аминокислоты (Эаминокислоты = 2Маминокислоты), соответственно эквивалент аминокислотного азота равен двум его атомным массам (ЭN = 2AN = 28,01). Следует отметить, что этим методом определяется не любой азот, а только α-аминокислотный.
Опыт 14. Определение аминокислот методом формольного титрования.К раствору, содержащему около 1 мэкв аминокислоты, добавляют равный объем предварительно нейтрализованного по фенолфталеину формалина* и титруют 0,1М раствором NaOH до появления розоватого окрашивания.
* К 100 мл формалина (~ 38%-ный водный раствор формальдегида) добавляют 8-10 капель раствора фенолфталеина и прикапывают 0,1М раствор NaOH до появления розоватого окрашивания (этот объем щелочи замерять не надо).
1 мл 0,1М раствора NaOH соответствует 0,001401 г аминокислотного азота или 0,1мэкв г аминокислоты.
Контрольные вопросы
1. Какую массу имеет 1 мэкв глутаминовой кислоты в этом методе?
2. Какую массу имеет 1 мэкв аланина в этом методе?
3. Почему кислые белковые гидролизаты нельзя анализировать этим методом?
4. В какой форме должен находиться катионит, чтобы его можно было использовать для удаления минеральных кислот из кислых белковых гидролизатов?
Опыт 15. Определение карбоксильных групп методом титрования в этиловом спирте.К 5 мл водного раствора гидролизата белка, содержащего около 1 мэкв карбоксильных групп, добавляют 50 мл 96%-ного этилового спирта, предварительно нейтрализованного по тимолфталеину*, и титруют 0,1М раствором КОН до появления синего окрашивания.
* К 100 мл 96%-ного этилового спирта добавляют 8-10 капель раствора тимолфталеина и прикапывают 0,1М раствор КOH до появления синего окрашивания (этот объем щелочи замерять не надо).
1 мл 0,1М раствора КOH соответствует 0,004502 г карбоксильных групп.
Если известна молекулярная масса полипептида или аминокислоты, то можно определить число карбоксильных групп, содержащихся в молекуле, по формуле
N = M∙V/А∙10000,
где N – число карбоксильных групп в молекуле;
V – объем 0,1М раствора КОН, пошедший на титрование, мл;
А – сухая навеска полипептида или аминокислоты, г;
М – молекулярная масса полипептида или аминокислоты, Да;
104 – пересчетный коэффициент для 0,1М раствора КОН.
Примечание. Метод неприемлем для анализа кислых белковых гидролизатов.
Контрольные вопросы
1. Сколько мл 0,1М раствора КОН пойдет на титрование 0,147 г глутаминовой кислоты в этом методе?
2. Какую массу имеет 1 мэкв аланина в этом методе?
3. Как определяется пересчетный коэффициент в вышеприведенной формуле? Рассчитайте его для 0,02М раствора КОН.
Опыт 16. Определение аминокислотного азота в кислых белковых гидролизатах йодометрическим методом.2 мл кислого гидролизата белка, содержащего около 1% суммы аминокислот, помещают в мерную колбу емкостью 25 мл, добавляют 1 каплю раствора тимолфталеина и по каплям добавляют 1М раствор NaOH до появления голубоватого окрашивания. Затем в колбу добавляют 10 мл суспензии ортофосфата меди*, тщательно перемешивают в течение 2 мин и доводят до метки водой. Полученную суспензию фильтруют через плотный фильтр. Первые 5-6 мл фильтрата отбрасывают. 10 мл фильтрата помещают в колбу для титрования, добавляют 2 мл 10% (масс./об.) раствора KI и 0,5 мл ледяной уксусной кислоты, перемешивают и титруют выделившийся йод 0,02М раствором тиосульфата натрия до слабой окраски йода, добавляют 4 капли раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения синего окрашивания.
* Приготовление суспензии ортофосфата меди. Предварительно готовят 3 раствора.
1. Раствор А – 50,0 г CuSO4∙5H2O растворяют в 1 л воды.
2. Раствор Б – 64,3 г Na2HPO4 и 7,2 г NaOH растворяют в 1 л воды.
3. Раствор В – 28,6 г Na2В4O7∙10H2O растворяют в 800 мл воды, добавляют 50 мл 1М раствора HCl и доводят до 1 л водой.
Суспензия ортофосфата меди – к 100 мл раствора Б добавляют порциями при перемешивании 50 мл раствора А и затем добавляют 100 мл раствора В. Перед употреблением суспензии её тщательно взбалтывают и отбирают на анализ цилиндром. Срок годности 1 день.
1 мл 0,02М раствора Na2S2O3 соответствует 0,5602 мг аминокислотного азота.
Контрольные вопросы
1. Опираясь на реакции, лежащие в основе метода, рассчитайте титр аминокислотного азота по 0,02М раствору Na2S2O3.
2. Приведите формулу для расчета содержания аминокислотного азота в размерности мг/100 мл с учетом приведенной выше методики.
3. Суспензия ортофосфата меди должна для анализа браться в избытке. Проверьте, действительно ли это так.
4. Можно ли в этом методе использовать вместо сульфата меди хлорид меди (СuCl2∙2H2O) и, если да, то сколько граммов его надо взять для приготовления раствора А?
5. Зная содержание аминокислотного азота, можно рассчитать, сколько белка подверглось полному гидролизу, и определить содержание суммы аминокислот, образовавшихся при этом. Рассчитайте необходимые для этого пересчетные коэффициенты, если известно, что все белки, согласно Г.Мульдеру (1836 г.), содержат общий гипотетический радикал – «протеин», имеющий эмпирическую формулу C40H62N10O12.
2.2.2. Спектральные методы
количественного определения белка
Для количественного определения белка в водных растворах широко используются методы УФ-спектроскопии, спектроскопии в видимой области и фотоэлектроколориметрии.
Количественный анализ белков в ближней УФ-области электронного спектра заключается в измерении собственного поглоще 
ния. Типичные УФ-спектры белков в ближней (кварцевой) области (200-350 нм) представлены на рис. 2.4. Максимум поглощения вблизи 280 нм обусловлен наличием в их структуре остатков ароматических аминокислот (Phe, Tyr, Trp, His). Резкое увеличение поглощения в направлении от 240 нм к 200 нм с максимумом в вакуумной области около 180 нм (на рисунке не показано) обусловлено возбуждением электронов атома азота пептидной группы (n→π* переход).
Поглощение в УФ-области количественно описывается законом Бера – Ламберта – Бугера:
D = − lgI/Io = εLC,
где D – оптическая плотность; I – интенсивность света, прошедшего через образец; Io – интенсивность падающего на образец света;
ε – молярный коэффициент поглощения, л/моль∙см; L – толщина слоя, см; C – концентрация, моль/л. В том случае, если концентрация используется в размерности г/100 мл, коэффициент пропорциональности называется удельным коэффициентом поглощения и обозначается символом Е1%1 см .
Аналитической полосой при определении концентрации белка обычно является λ280 нм, соответствующая максимуму поглощения. Исследуемый раствор готовят так, чтобы оптическая плотность фотометрируемого раствора лежала в зоне 0,1-1,0. Значения D280 для большинства белков при концентрации 1 мг/мл находятся в диапазоне 0,5-2,0, хотя известно также довольно много белков, для которых D280 не попадает в указанный диапазон. Молярный коэффициент поглощения тем больше, чем больше доля остатков аминокислот с ароматическими ядрами в молекуле белка. Для определения концентрации используются несколько методических приемов.
1. Расчет с использованием известного значения коэффициента поглощения:
C = D/ε∙L.
Это самый простой метод, однако применение его весьма ограничено по следующим причинам. Как видно из рис. 2.4, коэффициенты поглощения разных белков весьма отличаются друг от друга, иногда в несколько раз (сравни спектры рибонуклеазы и химотрипсиногена), поэтому рассматриваемый метод приемлем только для определения концентрации белка с известным значением ε в растворах, не содержащих других белков и аминокислот с ароматическими заместителями. Анализ раствора неизвестного белка или раствора, содержащего несколько белков, таким методом не возможен.
2. Расчеты в методах с использованием стандартных образцов. Использование стандартного образца исключает необходимость использования величины ε. Различают несколько методических подходов к определению концентрации с использованием стандартных образцов: метод стандартов, метод градуировочного графика и метод добавок.
Метод стандартов состоит в измерении оптической плотности раствора стандартного белка (Dст.)известной концентрации (Cст.) и измерении оптической плотности (Dис.) исследуемого раствора белка в кюветах одинаковой толщины. В этих условиях имеем
Dис. = εLCис; Dст. = εLCст.
Поделив одно уравнение на другое, после преобразования имеем
Сис. = Dис.∙Сст. / Dст.
Метод градуировочного графика состоит в измерении оптических плотностей серии стандартных растворов (обычно 5-6) известной концентрации и построении градуировочного графика в координатах «оптическая плотность – концентрация белка в исследуемом растворе». Этот метод удобен при серийных испытаниях.
Метод добавок заключается в измерении оптической плотности исследуемого раствора, к которому после этого добавляют известное количество стандартного образца белка и вновь измеряют оптическую плотность.
Очевидно, что Сис. = Dис.∙Сст. / Dис.+ст. – Dис.
Итак, анализ возможностей определения концентрации белка в растворах путем измерения непосредственного поглощения белка при одной аналитической длине волны в УФ-области показывает, что он приемлем лишь для анализа растворов индивидуальных известных белков.
Лучшим методом определения концентрации белка по его непосредственному поглощению является метод Варбурга* и Кристиана, основанный на измерении оптической плотности при двух длинах волн – 280 и 260 нм. При этом не требуется использование стандартного образца и знание значения коэффициента поглощения. Метод базируется на том, что отношение D280/D260 для различных белков – величина маловариабельная и равна 1,75 (сравни с рис.2.4). Это позволяет определять обшую концентрацию белка при анализе смесей белков.
Расчет при этом проводится по простой формуле
Сбелка (мг/мл) = 1,55D280 − 0,76D260.
Более того, метод позволяет определять белок в присутствии нуклеиновых кислот. При этом используются пересчетный множитель ƒ (табл. 2.2). В этом случае расчет производится по формуле
Сбелка (мг/мл) = D280 ∙ƒ.
Таблица 2.2
Множители ƒ для вычисления концентрации белка
| D280/D260 | Содержание нуклеиновой кислоты*, % | ƒ | D280/D260 | Содержание нуклеиновой кислоты*, % | ƒ |
| 1,75 | 1,118 | 0,86 | 5,2 | 0,671 | |
| 1,60 | 0,30 | 1,078 | 0,84 | 5,6 | 0,650 |
| 1,50 | 0,56 | 1,047 | 0,82 | 6,1 | 0,628 |
| 1,40 | 0,87 | 1,011 | 0,80 | 6,6 | 0,605 |
| 1,30 | 1,26 | 0,969 | 0,78 | 7,1 | 0,581 |
| 1,25 | 1,49 | 0,946 | 0,76 | 7,8 | 0,555 |
| 1,20 | 1,75 | 0,921 | 0,74 | 8,5 | 0,528 |
| 1,15 | 2,05 | 0,893 | 0,72 | 9,3 | 0,500 |
| 1,10 | 2,40 | 0,863 | 0,70 | 10,3 | 0,470 |
| 1,05 | 2,80 | 0,831 | 0,68 | 11,4 | 0,438 |
| 1,00 | 3,3 | 0,794 | 0,66 | 12,8 | 0,404 |
| 0,96 | 3,7 | 0,763 | 0,64 | 14,5 | 0,368 |
| 0,92 | 4,3 | 0,728 | 0,62 | 16,6 | 0,330 |
| 0,90 | 4,6 | 0,710 | 0,60 | 19,2 | 0,289 |
| 0,88 | 4,9 | 0,691 |
* Содержание нуклеиновой кислоты относительно суммы концентраций белка и нуклеиновой кислоты.
Коэффициенты для расчета концентрации белка (1,55 и 0,76) и значения пересчетного множителя ƒ получены путем измерения поглощения кристаллической дрожжевой енолазы (при концентрации 1 мг/мл – D260 = 0,512, D280 = 0,894) и очищенной дрожжевой нуклеиновой кислоты (при концентрации 1 мг/мл – D260 = 22,1, D280 = 10,8).
При этом по данным табл. 2.2 можно рассчитать не только значение множителя ƒ, но и определить содержание нуклеиновой кислоты в исследуемом растворе.
Опыт 17. Количественное определение суммы белков в яичном белке и яичном желтке методом Варбурга и Кристиана.В предварительно взвешенную мерную колбу емкостью 100 мл помещают около 5 г яичного белка, предварительно отделенного от желтка, и взвешивают (по разности определяют точную навеску белка). Белок растворяют в 60-80 мл фосфатного буфера с рН 6,5 и доводят до метки водой. 5 мл полученного раствора помещают в мерную колбу емкостью 50 мл и доводят до метки водой. Полученный раствор помещают в кварцевую кювету толщиной 1 см и определяют оптическую плотность раствора при 260 нм и 280 нм. Вычисляют отношение D280/D260. По данным табл. 2.2 определяют значение множителя ƒ и содержание нуклеиновой кислоты в белке.
В том случае, если нуклеиновая кислота отсутствует, расчет можно проводить по любой из приведенных выше формул. При наличии нуклеиновой кислоты расчет концентрации белка проводят по второй формуле.
Определив содержание белка в фотометрируемом растворе в размерности мг/мл, рассчитывают содержание нуклеиновой кислоты в той же размерности по формуле
Снук. (мг/мл) = Сбелка (мг/мл)∙Снук, % / 100 − Снук, % ,
где Снук. (мг/мл) – содержание нуклеиновой кислоты в фотометрируемом растворе, мг/мл; Снук, % – содержание нуклеиновой кислоты, взятое из табл. 2.2, в % от общей массы белка и нуклеиновой кислоты.
Расчет концентрации белка и нуклеиновой кислоты в исходном материале (яичный белок) в размерности г/100 г проводят по однотипным формулам, учитывающим разведение исходного белка:
Сг/100 г = Смг/мл∙Vк1∙Vк2∙100/Vп1000∙a = Смг/мл∙100∙50∙100/5∙1000∙a = Смг/мл∙100/а,
где а – навеска белка, г; Смг/мл – концентрация белка или нуклеиновой кислоты; Vк1 и Vк2 – объемы мерных колб, мл; Vп -∙объем пипетки, мл; 1000 – множитель пересчета массы из мг в г; 100 – масса объекта, в которой содержится С г белка или нуклеиновой кислоты.
Определение белка в яичном желтке проводится аналогично.
Контрольные вопросы
1. Определите методом интерполяции значение множителя ƒ для соотношения D280/D260 = 1,53, используя данные табл. 2.2.
2. Определите, сколько процентов белка содержит яичный белок, если известно, что оптические плотности фотометрируемого раствора, приготовленного по приведенной выше методике из яичного белка массой 5,026 г, равны D280 = 0,962 и D260 = 0,621.
3. Какие соединения мешают определению белка методом Варбурга и Кристиана?
4. В чем преимущества и недостатки метода Варбурга и Кристиана по сравнению с другими методами определения белка по поглощению в УФ-области?
Спектроскопия в видимой области и фотоэлектроколориметрия основаны на измерении поглощения окрашенных продуктов реакции белка с теми или иными реагентами.
Реакции, которые используются для получения окрашенных продуктов с белком, должны удовлетворять ряду требований: 1) оптимальным является взаимодействие реагента с пептидным фрагментом молекулы, поскольку его мольная доля по сравнению с другими частями молекулы белка максимальна и мало зависит от его природы, что позволяет определять различные белки, используя в качестве стандарта подходящий белок; 2) реакция должна протекать количественно; 3) окраска продукта реакции должна быть стабильна во времени, 4) желательно, чтобы развитие окраски не зависело от температуры.
Для измерения поглощения окрашенного продукта реакции можно использовать как фотоэлектроколориметр, так и УФ-спектро-фотометр, однако предпочтение следует отдать последнему.
Перечисленным выше требованиям прежде всего удовлетворяет биуретовая реакция на белок. В количественном анализе, в отличие от качественного, используется не просто раствор сульфата меди и едкого натра, а так называемый биуретовый реактив, представляющий собой водный раствор сульфата меди, натрия-калия тартрата (для предотвращения образования гидроксида меди(II)), едкого натра и йодида калия (для предотвращения образования гидроксида меди (I)). Биуретовая реакция лежит в основе метода Лоури и нескольких его модификаций.
Биуретовый метод по Ярош отличается от метода Лоури добавлением к раствору белка мочевины с целью стабилизации окраски. Метод Лоури – Фолина характеризуется тем, что после проведения биуретовой реакции к раствору добавляют реактив Фолина – Чиокалтеу, который с остатком тирозина дает синее окрашивание, что приводит к увеличению чувствительности метода в несколько раз (1-10 мг в 1 мл и 50-500 мкг в 1 мл соответственно).
Перечисленным требованиям удовлетворяет и метод, основанный на связывании красителей белком. Связывание красителей с белком осуществляется за счет образования водородных связей, поэтому природа белка во многом нивелируется. Наибольшее применение для окрашивания белка имеет краситель кумасси бриллиантовый синий G-250. Следует иметь в виду, что в принципе различные белки могут обладать и различной способностью связывать данный краситель. В частности, бычий сывороточный альбумин по этой причине не может использоваться в качестве общего стандартного белка в этом методе.
Во всех этих методах требуется стандартный образец белка (обычно яичный альбумин). При серийных испытаниях концентрацию белка обычно определяют по градуировочному графику.