Eigenschaften von Eiweißstoffen in Komplexen mit sauren Polysacchariden und anderen Polyelektrolyten

Zusammenfassung

Die Wechselwirkung von Eiweißstoffen mit sauren Polysacchariden und anderen Polyelektrolyten führt zur Veränderung der Eigenschaften der Mikrosphäre der Eiweißstoffe unter Einwirkung des elektrostatischen Feldes des Polyelektrolyten. Der Einfluß auf derart unterschiedliche Eigenschaften der Eiweißstoffe, wie die kinetischen Parameter der durch sie katalysierten Fermentreaktionen, die Hitze- und Säuredenaturierung, die Geschwindigkeit der Wechselwirkung mit Glutarsäuredialdehyd u. a., kann voll erklärt werden durch den Einfluß des elektrostatischen Feldes der Polyelektrolyte auf die Verteilung der Reaktionskomponenten in der Ionenatmosphäre des Polyelektrolyten.

In keinem der untersuchten Systeme konnten Effekte beobachtet werden, für deren Erklärung die Annahme über die Veränderung der „eigenen” Eigenschaften der Eiweißstoffe unter dem Einfluß von Polvelektrolyten, wie der wahre pK-Wert der ionogenen Gruppen, die Konformation u. a., notwendig wäre.

In den Fällen, in denen als Reaktionskomponente ein Wasserstoffion auftritt (Hämoglobindenaturation, Fermentreaktionen, deren Geschwindigkeit vom Ionisationszustand der ionogenen Gruppen abhängt u.a.), haben Polyelektrolyte eine gleiche Wirkung auf die zu untersuchenden Eigenschaften wie eine Veränderung des pH-Wertes. Ein Polyanion wirkt analog einer Verringerung des pH-Werts, d.h. erhöht die lokale Wasserstoffionenkonzentration; ein Polykation wirkt analog einer pH-Erhöhung.

Wenn als Reaktionskomponente eine Verbindung auftritt, die elektrostatisch mit dem Polyelektrolyten reagieren kann, so ist ein Einfluß des Polyelektrolyten auf die Stufen des zu untersuchenden Prozesses, deren Geschwindigkeit von der Konzentration dieser Verbindung abhängt, zu beobachten.

Wenn die zu suchende Substanz emfindlich gegen den Aggregationsgrad des Eiweißes ist, so kann unter bestimmten Bedingungen eine Wirkung der Polyelektrolyten beobachtet werden, die mit der Veränderung der Eiweißkonzentration, die für die Bildung einer merklichen Aggregatmenge erforderlich ist, zusammenhängt.

Mit Hilfe der dargelegten Konzeption können einige in der Literatur beschriebene Effekte erklärt werden, z. B. ein so wichtiger biochemischer Prozeß wie die Antikoagulationswirkung des Heparins und anderer Polyanionen.

Die von uns untersuchten Gesetzmäßigkeiten sind anscheinend allgemeingültig für unterschiedliche Systeme Eiweiß-Polyelektrolyt. Die Größe und Richtung aller weiter oben beschriebenen Effekte wird bestimmt durch Ladungsgröße und -vorzeichen der Reaktionskomponenten (z _i ) und das elektrostatistische Potential des Eiweiβ-Polyelektrolyt-Kom-plexes (ω). Die Kenntnis vonz _i und ω ermöglicht es, quantitativ vorauszusagen, wie groß der Einfluß des Polyelektrolyten auf irgendeine Eigenschaft des Eiweißstoffes ist. Ebenso gilt umgekehrt: wenn der Wert von ω unbekannt ist, kann er durch Messung des Einflusses des Polyelektrolyten auf irgendeine Eigenschaft des Eiweißstoffes berechnet werden. Letztere Schlußfolgerung wurde zur Bestimmung des Veresterungsgrades von Pektinen durch Messung ihres Einflusses auf die Geschwindigkeit der durch α-Chymotrypsin katalysierten ATEE-Hydrolyse angewendet.

Das Fehlen von Veränderungen der „eigenen” Eigenschaften der Eiweißstoffe in Form löslicher Komplexe mit Polyelektrolyten gestattet die Schlußfolgerung, daß die untersuchten Polyelektrolyte den biologischen Wert der Eiweißstoffe bei ihrer Anwendung zur Gewinnung künstlicher Nahrungsmittel nicht ändern werden.

Summary

An interaction of proteins with acid polysaccharides and other polyelectrolytes results in changes of properties of protein microenvironment under influence of electrostatic field of polyelectrolytes. Alterations of protein properties, such as the kinetic parameters of enzymatic reactions, protein denaturation, the rate of interaction with glutar aldehyde etc. may be completely explained by the influence of polyelectrolytes electrostatic field on distribution of reaction components in ionic atmosphere of electrolytes. The real pK values, of ionogenic groups, protein conformation and other parameters characterizing the state of protein molecules were not changed in any system investigated.

If one of the reaction component is H⁺ ion (hemoglobin denaturation, enzymatic reactions which depend on the state of protein ionogenic groups etc.) the effect of polyelectrolyte is similar to that of changes of pH. Polyanions' action resembles the effect of decreasing of pH (increases the local concentration of H⁺ ions); polycations' action is similar to that of elevation of pH.

If one of the reaction components is a compound able to interact electrostatically with polyelectrolyte, the influence of polyelectrolyte can be seen on the reaction steps the rate of which is dependent upon the concentration caused by polyelectrolytes.

If the parameter under investigation is sensitive to the state of protein aggregation, the effect of polyelectrolytes may be based on changes in protein concentration caused by polyelectrolytes.

The conception given above allows to explain some effects described in literature. In particular, it allows to explain the anticoagulation action of heparin and other polyanions.

The relationships observed appear to be common for different protein-polyelectrolyte systems. The magnitude and the direction of the effects are dependent on the value and sign of changes of components (z _i ) and an electrostatic potential (ω) of protein-polyelectrolyte complexex. Provided ω andz _i are known, a degree of polyelectrolyte effect on any protein properties thez and ω values may be calculated. For from the effect of polyelecrolyte on some protein properties thez and ω values may be calculated. For example, this approach was used to determine the degree of etherification of pectines using their effect on the rate of ATEE hydrolysis catalysed by α-chymotrypsin.

The absence of changes in proteins' molecules themselves allows to conclude that polyelectrolytes do not diminish the biological value of protein if they are used as artificial food.