6.3.11. Коллаген

Коллаген - это наиболее распространенный фибриллярный белок позвоночных животных. На его долю приходится 50% сухой массы и около 30% твердого вещества костей. В биологических системах коллаген присутствует в виде пучков волокнистых структур, по прочности на разрыв соизмеримых со стальной проволокой. Первичная структура коллагена характеризуется высоким содержанием звеньев Gly (1/3), а также Pro и Hypo (1/3) (см. табл. 6.8).

Вопрос. Тяжелой болезнью, обусловленной авитаминозом организма, является цинга. Она связана с нарушением биосинтеза коллагена, проявляющимся в подавлении реакций окисления Pro в Нyro при отсутствии витамина С. Почему аналитическое определение звеньев Нyro является характеристикой содержания коллагена?

380

Ответ. Нyro присутствует только в коллагене. В биологических системах витамин С промотирует реакции преобразования звеньев Pro в Нyro:

Наличие в полипептидной молекуле значительных количеств циклосодержащих звеньев Pro и Нyro обедняет возможности их конформационных переходов, резко ограничивает образование как α-спиралей, так и β-складчатых структур.

Этот белок характеризуется третичной структурой, состоящей из трех левовращающих спиралей (см. рис. 6.10), которые, переплетаясь между собой, образуют правовращающую "сверхспираль" (рис. 6.14). На каждый виток тройной спирали приходится десять витков полипептидных цепей. При гидротермических обработках природных коллагеновых волокон происходит их резкая, но необратимая усадка ("сваривание" коллагена). Межплоскостные расстояния в рентгенографической ячейке вдоль оси волокна составляют 2,9 Å, а большой период имеет протяженность около 840 Å. Коллаген нерастворим в воде, M_w = 10 ; однако при длительном кипячении в воде коллаген частично деструктирует, превращаясь в желатину (глютин) с M_w = (30÷40)10⁴. Коллаген характеризуется сравнительно узким

381

молекулярно-массовым распределением: U = 1,2. Водные растворы желатина оптически активны: [α]_D = -350°. Полипептидные цепи этого белка в водных растворах интенсивно сольватированы, что обусловливает их высокую асимметрию и сравнительную жесткость. Характеристическая вязкость вблизи изоэлектрической точки равна [η] = 11÷13 дл/г. Большие количества циклосодержащих звеньев в полимерной цепи коллагена резко ограничивают их сегментальную подвижность даже в разбавленных растворах. Конформационные изменения полипептидных цепей, реализуемые при 24-28°С, полностью обратимы при условии присутствия не менее 2% воды.

Значительная роль в процессах структурообразования в растворах желатины принадлежит "гидрофобным взаимодействиям". Фазовые диаграммы "желатина - вода" характеризуются ВКТР. При охлаждении концентрированные растворы желатины застудневают. Основными характеристиками качества желатины являются вязкость разбавленных и концентрированных растворов, прочность гелей (студней), температура гелеобразования и температура плавления геля, определяемые в стандартных условиях.

Конформационные переходы макромолекул коллагена (или желатины) приводят к изменению величины оптической активности растворов:

[α]^t° = α · 100/(lс),

где α - измеряемый угол поворота плоскости поляризованного света при данной длине волны λ и температуре t°; l - толщина слоя раствора; С - концентрация раствора.

Скорость протекания конформационных переходов зависит от концентрации и молекулярной массы белка. В результате ассоциации полипептидных цепей в растворах возникают тройные спирали. Такое самоупорядочение макромолекул в растворе протекает наиболее эффективно вблизи изоэлектрической точки.

Температура плавления гелей Т

г

пл

зависит от концентрации С полипептида, а также от температуры, при которой образуется гель. Например, при рН 5 имеем

С, г/100 см3	2	5	10	20	30
Tпл, °С	25	31	34	35	37

Гели желатины обладают тиксотропными свойствами, но механические свойства разрушенных гелей восстанавливаются существенно медленней и не достигают первоначальных значений.

382