Кратко — pH и ионная сила влияют на зарядные состояния аминокислот и электростатические взаимодействия, что меняет складку, динамику, солюбильность и каталитическую способность белков. Молекулярные механизмы:
1. Протонирование/депротонирование (смена зарядов)
- Изменение pH меняет степень протонирования боковых цепей: например, $\mathrm{p}{K}_a(\mathrm{His})\approx 6$, $\mathrm{p}{K}_a(Asp/Glu)\approx 4$, $\mathrm{p}{K}_a(\mathrm{Lys})\approx 10.5$, $\mathrm{p}{K}_a(\mathrm{Arg})\approx 12.5$, $\mathrm{p}{K}_a(\mathrm{Cys})\approx 8-9$.
- При pH ниже соответствующего $\mathrm{p}{K}_a$ группа протонирована (нейтрализована или заряжена по-другому), выше — депротонирована. Это меняет локальные и общие заряды белка и его сети солевых мостиков и водородных связей.
2. Сдвиги $\mathrm{p}{K}_a$ в белковой среде
- Близость других зарядов, диэлектрическая среда и водородные связи могут сдвигать $\mathrm{p}{K}_a$ групп на несколько единиц, поэтому локальная конформация и среда определяют реальную степень протонирования.
3. Электростатическое стабилизирующее/дестабилизирующее действие
- Солевые мостики и благоприятные электростатические контакты стабилизируют конкретные конформации; изменение зарядов разрушает или образует такие мостики → изменение стабильности и конформационного равновесия.
- При $\mathrm{pH}$ близком к $pI$ (точке изоэлектричности, $pI$) суммарный заряд мал → уменьшается растворимость, растёт склонность к агрегации.
4. Влияние на каталитическую активность
- Каталитически важные остатки (кислотные/щелочные) должны иметь определённое состояние протонирования для переноса протона или стабилизации переходного состояния. Изменение pH изменяет $k_{cat}$, $K_M$ и общую активность.
- Активность часто даёт коллообразную pH-зависимость («колоколообразная»), когда требуется две группы с разными $\mathrm{p}{K}_a$.
5. Ионная сила — экранирование и кинетика
- Ионная сила $I$ определяется как $I=\frac{1}{2}{\sum }_i{c}_i{z}_i^2$ (где $c_i$ — концентрация ионов, $z_i$ — их заряд). Повышение $I$ экранирует длиннорадиусные электростатические взаимодействия (эффект Дебая–Хюккеля), уменьшая их вклад.
- Экран эффект описывается экспоненциальным спадом взаимодействия ~ $e^{-\kappa r}$, где обратная длина экранирования $\kappa$ растёт с $I$ (соответственно длина экранирования ${\kappa }^{-1}$ уменьшается примерно как $1/\sqrt{I}$).
- Следствия: при низкой ионной силе электростатические притяжения/отталкивания сильнее; при высокой — они экранируются, что может стабилизировать белок (если раньше отталкивания развертывали его) или, наоборот, разрушить солевые мостики и дестабилизировать.
6. Гидрофобный эффект, соль и серия Хофмейстера
- Ионы по-разному влияют на структуру воды и гидрофобные взаимодействия: "космотропные" ионы обычно стабилизируют белки (снижают растворимость — «salting‑out»), «хаотропные» ионы — разрушают структуру воды и денатурируют белки (увеличивают растворимость — «salting‑in»). Конкретный эффект зависит от природы иона и концентрации.
7. Конформационные переключения и регуляция
- Изменение протонирования может индуцировать большие конформационные переходы (пример: эффект Боэра в гемоглобине — при понижении pH протонируются гистидины, формируются дополнительные солевые мостики и снижается сродство к O2).
- Аналогично, ионная сила и специфические ионы могут влиять на связывание лиганда/субстрата и на равновесие между активными/неактивными формами.
Практические следствия
- Для поддержания активности белков используют буферы, поддерживающие оптимальное $\mathrm{pH}$ и контролируемую ионную силу.
- При изучении ферментов следует измерять профили активности по pH и ионной силе — изменения $k_{cat}$ и $K_M$ дадут подсказки о вовлечённых группах и механизмах.
Краткая формула скорости по Михаэлису–Ментен для связи активности с параметрами кинетики: $V=\frac{V_{max}[S]}{K_M+[S]}$ — и $V_{max},K_M$ зависят от $\mathrm{pH}$ и ионной силы через описанные выше механизмы.