Кратко — механизмы и примеры.
Как действует pH (механизмы)
- Протонирование/депротонирование титруемых групп (His, Asp, Glu, Lys, Arg, карбоксильные/аминогруппы) изменяет заряд аминокислот, что влияет на:
- сольвентные и ионные связи (соляные мостики), электростатические взаимодействия и стабильность третичной/четвертичной структуры;
- способность образовывать водородные связи и каталитическую роль остатков в активном центре.
- Изменение заряда меняет сродство к субстрату и кинетику катализа (pKa каталитических остатков может сдвигаться в белке).
- При pH около изоэлектрической точки ($\mathrm{pI}$) белок менее растворим, склонен к агрегированию и осаждению.
- Крупные отклонения pH вызывают денатурацию (разрыв критических связей) и потерю активности.
Ключевые уравнения (важно для количественной оценки)
- Хендерсон—Хассельбалх: $\mathrm{pH}=\mathrm{p}{K}_a+\log \frac{[{\mathrm{A}}^{-}]}{[\mathrm{HA}]}$.
- Доля протонированной формы: ${\alpha }_{\mathrm{HA}}=\frac{1}{1+10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}{K}_a}}$.
- Приближённая pI (для простого дипепептида): $\mathrm{pI}\approx \frac{\mathrm{p}{K}_{a1}+\mathrm{p}{K}_{a2}}{2}$.
Иллюстрация чувствительности (пример с гистидином)
- Для остатка His с $\mathrm{p}{K}_a\approx 6.0$: при $\mathrm{pH}=7.0$ доля протонированной формы $\alpha =\frac{1}{1+10^1}=\frac{1}{11}\approx 0.09$, а при $\mathrm{pH}=6.0$ $\alpha =\frac{1}{2}=0.5$. То есть изменение pH на 1 единицу резко меняет состояние активного остатка.
Конкретные биологически важные примеры, где малое изменение pH резко меняет функцию
- Bohr‑эффект гемоглобина: незначительное падение pH (например при метаболической активности тканей) стабилизирует дезоксигенированную форму Hb и снижает сродство к O2 — способствует отдаче кислорода тканям.
- Каталитические триады сериновых протеаз (His–Asp–Ser): активность зависит от протонирования His; сдвиг pH на единицу вокруг его $\mathrm{p}{K}_a$ резко меняет скорость катализа (вплоть до инактивации).
- Пепсин vs трипсин: пепсин оптимален при очень низком pH (~$\mathrm{pH}1.5\text{–}2$), трипсин — при нейтрально-щелочном ($\mathrm{pH}7.5\text{–}8.5$); переход в неподходящий pH быстро теряет активность.
- Лизосомальные ферменты: работают при кислой $\mathrm{pH}\sim 5$; небольшой выход в нейтральную среду клетки ведёт к их инактивации, что защищает клетку от самопереваривания.
- Вирусные белки при проникновении в эндосому: например, гемагглютинин гриппа испытывает конформационный «переключатель» при $\mathrm{pH}\sim 5$, что инициирует слияние мембран — малое снижение pH запускает большую структурную перестройку.
- Агрегация/осаждение белков при изменении pH к $\mathrm{pI}$: небольшое изменение pH, приближающееся к $\mathrm{pI}$, приводит к потере растворимости и функции (важно в биофармацевтике).
Краткий вывод
- Чувствительность зависит от наличия ключевых титруемых остатков и их $\mathrm{p}{K}_a$: изменение pH на порядки, сравнимые с $\mathrm{p}{K}_a$ этих остатков, даёт большие изменения в протонировании и потому в структуре и активности даже при малых числовых сдвигах.