Строение белковых молекул. Органические вещества

Белки (синоним протеины ) - высокомолекулярные азотистые органические соединения, являющиеся полимерами аминокислот. Белки - основная и необходимая составная часть всех организмов.

Сухое вещество большинства органов и тканей человека и животных, а также большая часть микроорганизмов состоят главным образом из белков. Белковые вещества лежат в основе важнейших процессов жизнедеятельности. Так, например, процессы обмена веществ (пищеварение, дыхание, выделение и др.) обеспечиваются деятельностью ферментов (см.), являющихся по своей природе белками. К белкам относятся и сократительные структуры, лежащие в основе движения, напр, сократительный белок мышц (актомиозин), опорные ткани организма (коллаген костей, хрящей, сухожилий), покровы организма (кожа, волосы, ногти и т. п.), состоящие главным образом из коллагенов, эластинов, кератинов, а также токсины, антигены и антитела, многие гормоны и другие биологически важные вещества.

Роль белков в живом организме подчеркивается уже самим их названием «протеины» (греческий protos первый, первичный), предложенным Мульдером (G. J. Mulder, 1838), который обнаружил, что в тканях животных и растений содержатся вещества, напоминающие по своим свойствам яичный белок. Постепенно было установлено, что белки представляют собой обширный класс разнообразных веществ, построенных по одинаковому плану. Отмечая первостепенное значение белков для процессов жизнедеятельности, Энгельс определил, что жизнь есть способ существовании белковых тел, заключающийся в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел.

Химический состав и структура белков

Белки содержат в среднем около 16% азота. При полном гидролизе белки распадаются с присоединением воды до аминокислот (см.). Молекулы белков представляют собой полимеры, которые состоят из остатков около 20 различных аминокислот, относящихся к природному L-ряду, то есть имеющих одинаковую конфигурацию альфа-углеродного атома, хотя их оптическое вращение может быть неодинаковым и не всегда направленным в одну сторону. Аминокислотный состав разных белков неодинаков и служит важнейшей характеристикой каждого белка, а также критерием его ценности в питании (см. раздел Белки в питании). Некоторые белки могут быть лишены тех или иных аминокислот. Например, белки кукурузы- зеин не содержит лизина и триптофана. Другие белки, напротив, очень богаты отдельными аминокислотами. Так, протамин лосося - сальмин содержит свыше 80% аргинина, фиброин шелка - около 40% глицина (аминокислотный состав некоторых белков представлен в табл. 1).

Таблица 1. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ НЕКОТОРЫХ БЕЛКОВ (в весовых процентах аминокислот белка)

При неполном (обычно ферментативном) гидролизе белков, помимо свободных аминокислот, образуется ряд веществ с относительно небольшими молекулярными весами, называемых пептидами (см.) и полипептидами. В белках и пептидах аминокислотные остатки соединены между собой так называемой пептидной (кислотно-амидной) связью, образуемой карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты:

В зависимости от числа аминокислот такие соединения называют ди-, три-, тетрапептидами и т. д., например:

Длинные пептидные цепи (полипептиды), состоящие из десятков и сотен аминокислотных остатков, образуют основу структуры белковой молекулы. Многие белки состоят из одной полипептидной цепи, в других белках имеется две или более полипептидных цепей, соединенных между собой и образующих более сложную структуру. Длинные полипептидные цепи одинакового аминокислотного состава могут давать огромное число изомеров за счет различной последовательности отдельных аминокислотных остатков (подобно тому как из 20 букв алфавита можно составить множество различных слов и их сочетаний). Поскольку различные аминокислоты могут входить в состав полипептидов в разных соотношениях, число возможных изомеров становится практически бесконечным, и для каждого индивидуального белка последовательность аминокислот в полипептидных цепях является характерной и уникальной. Эта последовательность аминокислот определяет первичную структуру белка, которая в свою очередь определяется соответствующей последовательностью дезоксирибонуклеотидов в структурных генах ДНК данного организма. К настоящему времени изучена первичная структура многих белков, главным образом белковых гормонов, ферментов и некоторых других биологически активных белков. Последовательность аминокислот определяют путем ферментативного гидролиза беков и получения так называемых пептидных карт при помощи двухмерной хроматографии (см.) и электрофореза (см.). Каждый пептид исследуется на концевые аминокислоты до и после обработки аминополипептидазой - специфическим ферментом, последовательно отщепляющим аминоконцевые (N-концевые) аминокислоты, и карбоксиполипептидазой, отщепляющей карбоксиконцевые (С-концевые) аминокислоты. Для определения N-концевых аминокислот применяют реактивы, соединяющиеся со свободной аминогруппой концевой аминокислоты. Обычно используют динитрофторбензол (1-фтор-2,4-динитробензол), дающий динитрофенильное производное с N-концевой аминокислотой, которое затем может быть идентифицировано после гидролиза и хроматографического разделения гидролизата. Наряду с динитрофторбензолом, предложенным Сангером (F. Sanger), применяется также обработка фенилизотиоцианатом по Эдману (P. Edman). При этом с концевой аминокислотой образуется фенилтиогидантоин, который легко отщепляется от полипептидной цепи и может быть идентифицирован. Для определения С-концевых аминокислот применяют нагревание пептида в уксусном ангидриде с тиоцианатом аммония. В результате конденсации получается кольцо тиогидантоина, включающее радикал концевой аминокислоты, который затем легко отщепить от пептида и установить характер С-концевой аминокислоты. Последовательность аминокислот в белке устанавливают на основании последовательности пептидов, полученных с применением разных ферментов и с учетом специфичности каждого фермента, расщепляющего белок по пептидной связи, образованной определенной аминокислотой. Таким образом, определение первичной структуры белка представляет собой весьма кропотливую и длительную работу. Нашли успешное применение различные методы прямого определения последовательности аминокислот при помощи рентгеноструктурного анализа (см.) или путем масс-спектрометрии (см.) производных пептидов, получаемых при гидролизе белка разными ферментами.

Пространственно полипептидные цепи часто образуют спиральные конфигурации, удерживаемые при помощи водородных связей и образующие вторичную структуру белка. Чаще всего встречается так называемая а-спираль, в которой на один виток приходится 3,7 аминокислотных остатков.

Отдельные аминокислотные остатки в одной и той же или в разных полипептидных цепях могут быть соединены между собой при помощи дисульфидных или эфирных связей. Так, в молекуле мономера инсулина (рис. 1) дисульфидными связями соединены между собой 6 и 11-й остатки цистеина А-цепи и 7 и 20-й остатки цистеина А-цепи соответственно с 7 и 19-м остатками цистеина В-цепи. Такие связи придают полипептидной цепи, имеющей обычно спирализованные и неспирализованные участки, определенную конформацию, называемую третичной структурой белка.

Рис. 1. Схема аминокислотной последовательности в молекуле мономера инсулина быка. Вверху- цепь А, внизу- цепь В. Жирными линиями обозначены дисульфидные связи; в кружках - сокращенные названия аминокислот.

Под четвертичной структурой белка подразумевают образование комплексов из мономерных белковых молекул. Так, например, молекула гемоглобина состоит из четырех мономеров (двух альфа-цепей и двух бета-цепей). Четвертичная структура фермента лактатдегидрогеназы представляет собой тетрамер, состоящий из 4 мономерных молекул. Эти мономеры бывают двух типов: Н, характерный для сердечной мышцы, и М, характерный для скелетных мышц. Соответственно встречается 5 разных изоферментов лактатдегидрогеназы, представляющих собой тетрамеры из разных сочетаний этих двух мономеров - НННН, НННМ, ННММ, НМММ и ММММ. Структура белка определяет его биологические свойства, и даже небольшое нарушение конформации может весьма существенно отразиться на ферментативной активности или других биологических свойствах белка. Тем не менее наиболее важное значение имеет первичная структура белка, определяемая генетически и в свою очередь часто определяющая высшие структуры данного белка. Замена даже одного аминокислотного остатка в полипептидной цепи, состоящей из сотен аминокислот, может весьма существенно изменить свойства данного белка и даже полностью лишить его биологической активности. Так, например, гемоглобин, встречающийся в эритроцитах при серповидноклеточной анемии, отличается от нормального гемоглобина А лишь заменой остатка глутаминовой кислоты в 6-м положении р-цепи на остаток валина, то есть заменой лишь одной из 287 аминокислот. Однако этой замены достаточно для того, чтобы измененный гемоглобин обладал резко нарушенной растворимостью и в значительной мере утратил свою основную функцию переноса кислорода к тканям. С другой стороны, в строго определенной структуре инсулина (рис. 1) характер аминокислотных остатков в 8, 9 и 10-м положениях цепи А (между двумя остатками цистеина), по-видимому, не имеет существенного значения, поскольку эти три остатка обладают видовой специфичностью; в инсулине быка они представлены последовательностью ала-сер-вал, у овцы - ала-гли-вал, у лошади - тре-гли-иле, а в инсулине человека, свиньи и кита - тре-сер-иле.

Физико-химические свойства

Молекулярный вес большинства белков составляет от 10-15 тысяч до 100 тысяч, однако имеются белки с молекулярным весом 5-10 тысяч и несколько миллионов. Условно полипептиды с молекулярным весом ниже 5 тысяч относят к пептидам. Большинство белковых жидкостей и тканей организма (например, белки крови, яиц и др.) растворимы в воде или в растворах солей. Белки обычно дают опалесцирующие растворы, которые ведут себя как коллоидные. Имея в своем составе много гидрофильных групп, белки легко связывают молекулы воды и находятся в тканях в гидратированном состоянии, образуя растворы или гели. Многие белки богаты гидрофобными остатками и нерастворимы в обычных растворителях белков. Такие белки (например, коллаген и эластин соединительной ткани, фиброин шелка, кератины волос и ногтей) имеют фибриллярный характер, и их молекулы вытянуты в длинные волокна. Растворимые белки обычно представлены молекулами клубкообразной, глобулярной, формы. Однако разделение белков па глобулярные и фибриллярные не абсолютно, поскольку некоторые белки (например, актин мышц) способны обратимо превращаться из глобулярной конфигурации в фибриллярную в зависимости от условий среды.

Подобно аминокислотам белки являются типичными амфотерными электролитами (см. Амфолиты), то есть меняют свой электрический заряд в зависимости от pH среды. В электрическом поле белки движутся к аноду или к катоду в зависимости от знака электрического заряда молекулы, который определяется как свойствами данного белка, так и pH среды. Это движение в электрическом поле, называемое электрофорезом, применяют для аналитического и препаративного разделения белка, как правило различающихся по своей электрофоретической подвижности. При определенном pH, называемом изоэлектрической точкой (см.), неодинаковом для разных белков, число положительных и отрицательных зарядов молекулы равно друг другу, и молекула в целом электронейтральна и не движется в электрическом поле. Это свойство белка используется для их выделения и очистки методом изоэлектрической фокусировки, заключающемся в электрофорезе белка в градиенте pH, создаваемом системой буферных растворов. При этом можно подобрать такое значение pH, при котором нужный белок выпадает в осадок (поскольку растворимость белка в изоэлектрической точке наименьшая), а большинство «загрязняющих» белков останется в растворе.

Помимо pH, растворимость белков существенно зависит от присутствии и концентрации солей в растворе. Высокие концентрации солей одновалентных катионов (чаще всего применяют сернокислый аммоний) осаждают большинство белков. Механизм такого осаждения (высаливания) заключается в связывании ионами солей воды, образующей гидратную оболочку белковых молекул. Вследствие дегидратации растворимость белков понижается и они выпадают в осадок. Таков же механизм осаждения белков спиртами и ацетоном. Осаждение белков высаливанием или органическими жидкостями, смешивающимися с водой, применяют для разделения и выделения белков с сохранением их природных (нативных) свойств. При определенных условиях осаждения белки можно получить в кристаллическом виде и хорошо очистить от других белков и небелковых примесей. Ряд процедур такого рода применяют для получения кристаллических препаратов многих ферментов или других белков. Нагревание растворов белков до высокой температуры, а также осаждение белка солями тяжелых металлов или концентрированными кислотами, особенно трихлоруксусной, сульфосалициловой, хлорной, приводит к коагуляции (свертыванию) белка и образованию нерастворимого осадка. При таких воздействиях лабильные молекулы белка денатурируют, теряют свои биологические свойства, в частности ферментативную активность, становятся нерастворимыми в исходном растворителе. При денатурации нарушается нативная конфигурация белковой молекулы, и полипептидные цепи образуют беспорядочные клубки.

При ультрацентрифугировании белки осаждаются в поле ускорения центробежной силы со скоростью, зависящей главным образом от размеров белковых частиц. Соответственно для определения молекулярных весов белков применяют определение констант седиментации в ультрацентрифуге, а также скорости диффузии белков, фильтрование их через молекулярные сита, определение электрофоретической подвижности при электрофорезе в специальных условиях и некоторые другие методы.

Методы обнаружения и определения белков

Качественные реакции на белках основаны на их физико-химических свойствах или на реакциях определенных химических групп в молекуле белка. Однако, поскольку в состав молекулы белка входит большое количество разнообразных химических группировок, реакционная способность белков очень велика и ни одна из качественных реакций на белки не является строго специфичной. Заключение о присутствии белка может быть сделано лишь на основании совокупности ряда реакций. При анализе биологических жидкостей, например мочи, где могут появляться лишь определенные белки и известно, какие вещества могут мешать реакции, бывает достаточно даже одной реакции для установления присутствия или отсутствия белков. Реакции на белки подразделяют на реакции осаждения и цветные реакции. К первым относится осаждение концентрированными кислотами, причем в клинической практике чаще всего применяют осаждение азотной кислотой. Характерной реакцией является также осаждение белков сульфо-салициловой или трихлоруксусной кислотами (последняя часто применяется не только для обнаружения белков, но и для освобождения жидкостей от белков). Присутствие белков может быть обнаружено также но свертыванию при кипячении в слабокислой среде, осаждением спиртом, ацетоном и рядом других реактивов. Из цветных реакций весьма характерна биуретовая реакция (см.) - фиолетовое окрашивание с ионами меди в щелочной среде. Эта реакция зависит от присутствия в белках пептидных связей, образующих с медью окрашенное комплексное соединение. Название биуретовой реакции происходит от продукта нагревания мочевины биурета (H 2 N-CO-NH-CO-NH 2), являющегося простейшим соединением, дающим эту реакцию. Ксантопротеиновая реакция (см.) заключается в желтом окрашивании осадка белков при воздействии концентрированной азотной кислотой. Окрашивание появляется вследствие образования продуктов нитрования ароматических аминокислот, входящих в состав белковой молекулы. Реакция Миллона дает ярко-красное окрашивание с солями ртути и азотистой кислотой в кислой среде. На практике обычно используют азотную кислоту, которая всегда содержит небольшую примесь азотистой. Реакция специфична для фенольного радикала тирозина и поэтому получается только с белков, содержащими тирозин. Реакция Адамкевича обусловлена радикалом триптофана. Она дает фиолетовое окрашивание в концентрированной серной кислоте с уксусной к-той (см. Адамкевича реакция). Реакция получается при замене уксусной кислоты на различные альдегиды. При использовании уксусной кислоты реакция обусловлена глиоксиловой кислотой, содержащейся в уксусной как примесь. Количественно белки определяют обычно по белковому азоту, то есть по содержанию общего азота в осадке белков, отмытом от низкомолекулярных веществ, растворимых в осадителе. Азот в биохимических исследованиях и при клинических анализах обычно определяют методом Кьельдаля (см. Кьельдаля метод). Общее содержание белка в жидкостях часто определяют колориметрическими методами, в основе которых лежат разные модификации биуретовой реакции. Часто пользуются методом Лаури, в котором применяется реактив Фолина на тирозин в сочетании с биуретовой реакцией (см. Лаури метод).

Классификация белков

Из-за относительно больших размеров белковых молекул, сложности их строения и отсутствия достаточно точных данных о структуре большинства белков еще нет рациональной химической классификации белков. Существующая классификация в значительной мере условна и построена главным образом на основании физико-химических свойств белков, источников их получения, биологической активности и других, нередко случайных, признаков. Так, по физико-химическим свойствам белки делят на фибриллярные и глобулярные, на гидрофильные (растворимые) и гидрофобные (нерастворимые) и т. п. По источнику получения белки подразделяют на животные, растительные и бактериальные; на белки мышечные, нервной ткани, кровяной сыворотки и т. п.; по биологической активности - на белки-ферменты. белки-гормоны, структурные. Белки, сократительные белки, антитела и т. д. Следует, однако, иметь в виду, что из-за несовершенства самой классификации, а также вследствие исключительного многообразия белков многие из отдельных белков не могут быть отнесены ни к одной из описываемых здесь групп.

Все белки принято делить на простые, или протеины (собственно белки), и сложные, или протеиды (комплексы белков с небелковыми соединениями). Простые белки являются полимерами только аминокислот; сложные, помимо остатков аминокислот, содержат также небелковые, так называемые простетические группы.

Среди простых белков (протеинов) различают альбумины (см.), глобулины (см.) и ряд других белков.

Альбумины - легко растворимые глобулярные белки (например, альбумины сыворотки крови или яичного белка); растворяются в воде и солевых растворах с выпадением в осадок лишь при насыщении раствора сульфатом аммония.

Глобулины отличаются от альбуминов нерастворимостью в воде и выпадением в осадок при полунасыщении раствора сульфатом аммония. Глобулины обладают более высоким, чем альбумины, молекулярным весом и иногда содержат в своем составе углеводные группировки.

К протеинам относятся и растительные белки - проламины (см.), встречающиеся обычно совместно с глютелинами (см.) в семенах злаков (рожь, пшеница, ячмень и др.), образуя основную массу клейковины. Эти белки растворимы в 70-80% спирте и нерастворимы в воде; они богаты остатками пролина и глутаминовой кислоты. К проламинам относятся также глиадин пшеницы, зеин кукурузы, гордеин ячменя.

Склеропротеины (протеинонды, альбуминоиды) - структурные белки, нерастворимые в воде, в разведенных щелочах, кислотах и солевых растворах. К ним относятся фибриллярные белки главным образом животного происхождения, весьма устойчивые к перевариванию пищеварительными ферментами. Эти белки подразделяют на белки соединительной ткани: коллаген (см.) и эластин (см.); белки покровов - волос, ногтей и копыт, эпидермиса- кератины (см.), для которых характерно высокое содержание серы в виде остатка аминокислоты - цистина; белки коконов и других секретов шелкоотделительных желез насекомых (например, паутины) - фиброин (см.), состоящие более чем наполовину из остатков глицина и аланина.

Особую группу протеинов составляют протамины (см.) - сравнительно низкомолекулярные белки основного характера (в отличие от альбуминов, глобулинов и других тканевых белков, имеющих изоэлектрическую точку обычно в слабокислой среде). Протамины встречаются в сперме некоторых рыб и других животных и состоят более чем наполовину из диаминомонокарбоновых кислот. Так, протамины сельди - клупеин и лосося - сальмин содержат около 80% аргинина. Другие протамины содержат, помимо аргинина, также лизин или лизин и гистидин.

Рис. 2. Общая схема биосинтеза белка. Аминокислоты (1), взаимодействуя с АТФ, активируются, образуя аминоациладенилаты (2); последние под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы соединяются с транспортными РНК, или тРНК (3), и в виде комплекса аминоацил-тРНК (4) поступают в рибосомы, соединенные с мРНК, или полисомы (5). Полисомы образуются путем присоединения к мРНК сначала малой субчастицы (6), а затем и большой субчастицы (7) рибосом. В рибосоме (8), соединенной с мРНК, к мРНК присоединяются две аминоацил-тРНК, в результате чего между ними образуется пептидная связь. Таким образом происходит рост полипептидной цепи (9), которая освобождается по завершении ее синтеза (10) и далее трансформируется в белок (11).

Биосинтез белков протекает во всех клетках живых организмов и обеспечивает обновленце белков организма, процессы обмена веществ и их регуляцию, а также рост и дифференцировку органов и тканей. Белки синтезируются в тканях из свободных аминокислот при участии нуклеиновых кислот (см.). Процесс биосинтеза белков протекает с потреблением энергии, аккумулированной в виде АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты). При биосинтезе белков обеспечивается образование определенных белков строго специфической структуры, которая закодирована в структурных генах (цистронах) дезоксирибонуклеиновой кислоты, находящейся главным образом в хроматине ядер клеток (см. Генетический код). Информация, определяющая первичную структуру белков, передается на особый тип рибонуклеиновых кислот (РНК), называемых информационными, или матричными, РНК (мРНК), в виде комплементарной последовательности нуклеотидов. Этот процесс получил название транскрипции. мРНК соединяется с рибосомами (см.), представляющими собой рибонуклеопротеидные гранулы, более чем наполовину состоящие из особой рибосомной РНК (рРНК), синтезируемой также на специальных цистронах (генах) ДНК. Рибосомы состоят из двух субчастиц, на которые они способны обратимо диссоциировать при понижении концентрации ионов магния. Большая и малая субчастицы рибосом содержат но одной молекуле РНК с молекулярной массой соответственно около 1,7×10 6 и 0,7×10 6 и по нескольку десятков молекул белков. Соединившись с рибосомами, мРНК образует полирибосомы, или полисомы, на которых и происходит синтез полипептидных цепочек, образующих первичную структуру белков. Прежде чем соединиться с рибосомами аминокислоты активируются, затем соединяются с низкополимерными РНК-переносчиками, или транспортными РНК (тРНК) в виде комплексов, с которыми они и поступают в рибосомы. Общая схема биосинтеза белков представлена на рис. 2.

Активация аминокислот происходит при взаимодействии их с АТФ с образованием аминоациладенилата и освобождением пирофосфата: аминокислота + АТФ = аминоациладенилат + пирофосфат. Аминоациладенилат представляет собой смешанный ангидрид, образованный остатком фосфорной к-ты аденозинмонофосфата и карбоксильной группой аминокислоты, и является активированной формой аминокислоты. С аминоациладенилата остаток аминокислоты переносится на тРНК, специфичную для каждой аминокислоты, и в виде аминоацил-тРНК поступает в рибосомы. Образование аминоациладенилата и перенос аминокислотного остатка на тРНК катализируются одним и тем же ферментом (аминоациладенилатсинтетазой, или аминоацил-тРНК-синтетазой), строго специфичным для каждой аминокислоты и каждой тРНК. Все тРНК имеют сравнительно небольшой молекулярный вес (около 25 000) и содержат около 80 нуклеотидов. Они имеют крестообразную конфигурацию, напоминающую клеверный лист, причем нуклеотидная цепь образует двунитчатую структуру, удерживаемую комплементарными основаниями, и переходит в однонитчатую только в области петель. Начало нуклеотидной цепи, обычно представленное 5"-гуаниловым нуклеотидом, находится вблизи концевой, часто обменивающейся группировки из двух остатков цитидиловой кислоты и аденозина со свободной 3"-OH-группой, к которой и присоединяется остаток аминокислоты. На петле, находящейся у противоположного конца молекулы тРНК, имеется триплет оснований, комплементарный к триплету, кодирующему данную аминокислоту (кодону), и называемый антикодоном. Нуклеотидная последовательность многих тРНК уже установлена, известна и их полная структура.

Определенная последовательность аминокислот в первичной структуре синтезируемой полипептидной цепи обеспечивается информацией, записанной в последовательности нуклеотидов мРНК, отражающей соответствующую последовательность в цистронах ДНК. Каждая аминокислота кодируется определенными триплетами нуклеотидов мРНК. Эти триплеты (кодоны) представлены в табл. 2. Их расшифровка позволила установить нуклеотидный код РНК, или аминокислотный код, то есть способ, при помощи которого происходит трансляция, или перевод информации, записанной в последовательности нуклеотидов РНК в первичную структуру белков, или последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Таблица 2. РНК-АМИНОКИСЛОТНЫЙ КОД

Примечание: У - уридиловая кислота, Ц - цитидиловая кислота, А - адениловая кислота, Г - гуаниловая кислота. Три буквы обозначают соответствующий аминокислотный остаток: напр.. Фен - фенилаланин. Иле - изолейцин, Глу - глутаминовая кислота, Глн - глутамин и т. п. Триплеты УАА, УАГ, УГА не кодируют аминокислот, но определяют терминацию полипептидной цепи.

Как видно из таблицы, из 64 возможных триплетов (61 кодируют определенные аминокислоты, то есть являются «смысловыми». Три триплета - УДА, УАГ и УГА - не кодируют аминокислот, однако их роль заключается в завершении (терминации) синтеза растущей полипептидной цепочки. Код является вырожденным, то есть почти все аминокислоты кодируются более чем одним триплетом нуклеотидов. Так, 3 аминокислоты - лейцин, аргинин и серии - кодируются шестью кодонами, 2 - метионин и триптофан - имеют только по одному кодону, а остальные 15 - от 2 до 4. Процесс трансляции осуществляется при помощи тРНК, нагруженных аминокислотами. Аминоацил-тРНК присоединяется своим комплементарным триплетом (антикодоном) к кодону мРНК в рибосоме. К соседнему кодону мРНК присоединяется другая аминоацил-тРНК. Первая тРНК при этом присоединяет свой аминокислотный остаток карбоксильным концом к аминогруппе второй аминокислоты, с образованием дипептида, а сама освобождается и отделяется от рибосомы. Далее, по мере продвижения рибосомы но цепи мРНК от 5"-конца к З"-концу, присоединяется третья аминоацил-РНК; происходит соединение дипептида карбоксильным концом с аминогруппой третьей аминокислоты с образованием трипептида и освобождением второй тРНК и так до тех пор, пока рибосома не пройдет весь участок, кодирующий данный белок на мРНК, соответствующий цистрону ДНК. Затем происходит терминация синтеза белков, и образовавшийся полипептид освобождается от рибосомы. За первой рибосомой в полисоме следует вторая, третья и т. д., которые последовательно считывают информацию на одной и той же нити мРНК в полисоме. Таким образом, рост полипептидной цепи происходит с N-конца к карбоксильному (С-) концу. Если подавить синтез белков, например, при помощи антибиотика пуромицина, то можно получить недостроенные полипептидные цепи с незавершенным на разных этапах С-концом. Аминоацил-тРНК присоединяется сначала к малой рибосомной субчастице, а затем переносится на большую субчастицу, на которой и происходит рост полипептидной цепочки. Согласно гипотезе А. С. Спирина во время работы рибосомы при биосинтезе белков происходит повторяющееся смыкание и размыкание субчастиц рибосом. Для воспроизведения синтеза белков вне организма, помимо рибосом, мРНК и аминоацил-тРНК, необходимо присутствие гуанозинтрифосфата (ГТФ), который расщепляется до ГДФ и снова регенерирует в процессе роста поли пептидной цепи. Необходимо также присутствие нескольких белковых факторов, выполняющих, по-видимому, ферментативную роль. Эти так называемые трансферные факторы взаимодействуют друг с другом и для своей активности требуют присутствия сульфгидрильных групп и ионов магния. Помимо собственно трансляции (то есть роста полипептидной цепи в определенной последовательности, соответствующей структурному гену ДНК и передаваемой последовательностью нуклеотидов в мРНК), особую роль играет начало (или инициация) трансляции и завершение (или терминация) ее. Инициация белкового синтеза в рибосоме, по крайней мере в бактериях, начинается с особых кодонов - инициаторов в мРНК - АУГ и ГУГ. Сначала с таким кодоном связывается малая субчастица рибосомы затем к ней присоединяется формилметионил-тРНК, с которой и начинается синтез полипептидной цепи. В силу особых свойств этой аминоацил-тРНК она способна переноситься на большую субчастнцуг подобно пептидил-тРНК, и таким образом начинать рост полипептидной цепи. Для инициации необходимы ГТФ и белковые факторы инициации (известно три). Терминация роста полипептидной цепи происходит на «бессмысленных» кодонах УАА, УАГ или УГА. По-видимому, эти кодоны связываются с особым белковым фактором терминации, который в присутствии еще одного фактора способствует освобождению полипептида.

Компоненты системы биосинтеза белков синтезируются главным образом в клеточном ядре. На матрице ДНК в процессе транскрипции происходит синтез всех типов РНК. участвующих: в этом процессе: рРНК, мРНК и тРНК. Так, рРНК и мРНК синтезируются в виде очень больших молекул и еще в клеточном ядре проходят процесс «созревания», в ходе которого часть (весьма значительная для мРНК) молекул отщепляется и подвергается распаду, не выходя в цитоплазму, а функционирующие молекулы, являющиеся частью первоначально синтезированных, поступают в цитоплазму к местам белкового синтеза. Прежде чем попасть в состав полисом, мРНК, по-видимому, с момента синтеза связывается с особыми белковыми частицами, «информоферами», и в виде рибонуклеопротеидного комплекса переносится к рибосомам. Рибосомы, очевидно, также «дозревают» в цитоплазме, часть белков присоединяется к предшественникам рибосом, выходящим из ядра, уже в цитоплазме. Следует отметить, что у низших, безъядерных организмов (прокариотов), к которым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли и вирусы, имеются некоторые отличия от высших организмов в компонентах системы биосинтеза белков, и в особенности в его регуляции. Рибосомы у прокариотов несколько меньше по размерам и отличаются по составу, процесс транскрипции и трансляции непосредственно связан в одно целое. Вместе с тем у высших ядерных организмов (эукариотов) образование РНК происходит и в органеллах цитоплазмы, митохондриях и хлоропластах (у растений), обладающих собственной системой синтеза белка и собственной генетической информацией в виде ДНК. По своему устройству система белкового синтеза в митохондриях и хлоропластах аналогична таковой у прокариотов и существенно отличается от системы, имеющейся в ядре и цитоплазме высших животных и растений.

Регуляция биосинтеза белков представляет весьма сложную систему и позволяет клетке быстро и четко реагировать на изменения в окружающей клетку среде путем прекращения или индукции синтеза различных белков, часто обладающих ферментативной активностью. У бактерий подавление синтеза белков осуществляется главным образом при помощи особых белков - репрессоров (см. Оперон), синтезируемых специальными генами-регуляторами. Взаимодействие репрессора с метаболитом, поступающим из среды или синтезируемым в клетке, может подавить или, наоборот, активировать его, регулируя таким образом синтез одного белка или нескольких взаимосвязанных белков, в особенности ферментов, синтезирующихся также взаимосвязанно на одном опероне. У высших организмов в процессе дифференцировки ткани теряют способность к синтезу ряда белков и специализируются на синтезе меньшего числа белков, необходимых для функции данной ткани, например мышц. Такое блокирование синтеза ряда белков происходит, по-видимому, на уровне генома (см.) при помощи ядерных белков - гистонов (см.), связывающих нефункциональные участки ДНК. Однако при регенерации, злокачественном росте и других процессах, связанных с дедифференцировкой, такие заблокированные участки могут дерепрессироваться и поставлять мРНК для синтеза необычных для данной ткани белков. Тем не менее и у высших организмов имеет место регуляция синтеза белков в ответ на те или иные стимулы. Так, действие ряда гормонов заключается в индукции синтеза белков в ткани, являющейся «мишенью» данного гормона. Такая индукция, по-видимому, происходит путем связывания гормона с особым белком данной ткани и активацией гена посредством образованного комплекса.

Процесс биосинтеза белков и его регуляция требуют чрезвычайной четкости, точности и слаженности работы всех компонентов системы. Даже небольшие нарушения этой точности приводят к нарушению первичной структуры белков и тяжелым патологическим последствиям. Генетические нарушения, например, замена или потеря одного нуклеотида в структурном гене, приводят к синтезу измененного белка, нередко лишенного биологической активности. Такие изменения лежат в основе врожденных нарушений обмена веществ, к которым, по существу, относятся все наследственные болезни (см.). С другой стороны, целый ряд белков и ферментов может различаться не только у разных биологических видов, но и у разных индивидуумов, сохраняя при этом свою биологическую активность. Нередко такие белки обладают разными иммунологическими и электрофоретическими свойствами. В популяциях человека описаны многие примеры так называемого полиморфизма белков, когда у разных индивидуумов, а иногда и у одного и того же индивидуума можно обнаружить два или несколько неодинаковых белков, обладающих одной и той же функцией, как, например, гемоглобин (см.), гаптоглобин (см.) и некоторые другие.

Белки в питании

Среди многочисленных пищевых веществ белкам принадлежит наиболее важная роль. Они являются источниками незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимых для синтеза белков человеческого организма. Выраженная недостаточность белков в питании приводит к тяжелым нарушениям функции организма (см. Алиментарная дистрофия). От уровня снабжения белками в большой степени зависит состояние здоровья, физического развития и- работоспособности человека, а у детей раннего возраста в определенной мере и умственное развитие. Если учесть все производимые для питания растительные и животные белки, то в среднем на каждого жителя Земли придется около 58 г в день. В действительности более половины населения, особенно развивающихся стран, не получает этого количества белка. Глобальный дефицит пищевого белка должен быть отнесен к числу наиболее острых экономических и социальных проблем современности (см. Кризис белковый). В связи с этим установление оптимальных уровней содержания белка в пищевых рационах приобретает первостепенную важность.

В наибольших количествах белки требуются в периоды интенсивного роста. Однако и в организме, достигшем зрелости, процессы жизнедеятельности связаны с непрерывной тратой белковых веществ и, следовательно, необходимостью воспол нения этих потерь с пищей. В соответствии с рекомендациями Экспертной группы ФАО/ВОЗ расчет потребности в белковом азоте следует проводить по формуле: R=1,1(U b +F b +S+G), где R - потребность в белковом азоте; U b - выделение азота с мочой; F b - выделение азота с калом; S - потеря азота за счет десквамации эпидермиса, роста волос, ногтей, выделения азота с потом при неинтенсивном потении; G - удержание азота в процессе роста (расчет ведется на 1 кг массы в день).

Коэффициент 1,1 отражает добавочные траты белков (в среднем 10%), возникающие в результате стрессовых реакций и неблагоприятных воздействий на организм. Границы индивидуальных вариаций потребностей в белках принимаются равными ±20%. Официальные рекомендации экспертной группы ФАО/ВОЗ отражены в табл. 3.

Таблица 3. СРЕДНЕСУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В БЕЛКАХ (при условии его полного усвоения)*

• Величина потребности в азоте умножена на коэффициент 6,25.

Очевидно, что приведенные величины но соответствуют оптимальному снабжению человека белками и должны быть отнесены к минимальному уровню их содержания в рационе, при несоблюдении которого неизбежно сравнительно быстрое развитие серьезных последствий белковой недостаточности. Фактическое потребление белков в большинстве экономически развитых стран в 1,5 и даже 2 раза выше приведенных цифр. Согласно концепции сбалансированного питания, оптимальная потребность человека в белках зависит от многих факторов, включая физиологические особенности организма, качественную характеристику пищевых белков и содержание в рационе других пищевых веществ.

В СССР величины потребностей населения в белках зафиксированы в официально утверждаемых Министерством здравоохранения физиологических нормах питания, которые периодически пересматриваются и уточняются. Физиологические нормы питании являются средними ориентировочными величинами, отражающими оптимальные потребности отдельных групп населения в основных пищевых веществах и энергии (табл. 4).

В них предусматриваются дифференциация потребностей в белках, в зависимости от пола, возраста, характера труда и т. д. Рекомендуемые величины рассчитаны на основании изучения особенностей белкового обмена и азотистого баланса у соответствующих групп населения, причем они значительно выше минимальных потребностей в белках, необходимых для поддержания азотистого равновесия. Избыток белков необходим дли обеспечения дополнительных трат организма, связанных с физическими и нервными нагрузками, неблагоприятными воздействиями внешней среды, а также для поддержания оптимального иммунологического статуса. Специально выделены в нормах величины потребления наиболее ценных белков животного происхождения.

Физиологические нормы питания являются основой планирования производства тех или иных пищевых продуктов. При оценке полезности отдельных белковых продуктов учитывается их аминокислотный состав, степень перевариваемости ферментами пищеварительного тракта и интегральные показатели усвояемости, установленные в результате биологических экспериментов. На практике с определенной степенью условности белковые продукты делят на две группы. К первой относят продукты животного происхождения: молоко, мясо, яйца, рыбу, белки которых легко и полностью усваиваются организмом человека; ко второй - большинство продуктов растительного происхождения, в частности пшеницу, рис, кукурузу и другие злаковые, белки которых усваиваются организмом не полностью. Условность подобного деления подчеркивается высокой биологической ценностью ряда белков растительного происхождения (картофеля, гречихи, сои, подсолнечника) и низкой биологической ценностью белков некоторых животных продуктов (желатины, кожи, сухожилий и др.). Причины низкой усвояемости фибриллярных белков (кератина, эластина и коллагенов) заключаются в особенностях их третичной структуры и трудности переваривания ферментами пищеварительного тракта. С другой стороны, усвоение ряда белков растительного происхождения может зависеть от структуры растительных клеток и возникающих трудностей в контактировании белков с пищеварительными ферментами.

Полнота использования отдельных белков человеком или их биологическая ценность и первую очередь определяются степенью соответствия их аминокислотного состава дифферинцированным потребностям организма и в какой-то степени аминокислотному составу тела. Огромное разнообразие встречающихся в природе белков в основном построено из 20 аминокислот, 8 из них (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин и фенилаланин) незаменимы для человека, так как не могут быть синтезированы в тканях организма (см. Аминокислоты). Дли маленьких детей девятой незаменимой аминокислотой является гистидин. Остальные аминокислоты относятся к числу заменимых и могут расцениваться в питании главным образом как поставщики неспецифического азота. Установлено, что лучшее усвоение белков пищи достигается при сбалансировании ее аминокислотного состава с «идеальными» аминокислотными шкалами. В качестве подобной шкалы в 1957 году была предложена так называемая предварительная аминокислотная шкала ФАО. Позднее было доказано, что содержание в ней ряда аминокислот, особенно триптофана и метионина, определено не вполне точно. В соответствии с результатами биологических исследований в качестве оптимальных в последние годы рекомендованы шкалы аминокислотного состава белков куриных яиц и женского молока. Белки этих двух продуктов самой природой предназначены для питания развивающихся организмов и практически полностью утилизируются как в опытах на экспериментальных животных, так и при использовании в питании детей раннего возраста.

Для определения соответствия аминокислотного состава белков потребностям человека предложен ряд индексов, каждый из которых имеет лишь ограниченную ценность. В их числе следует упомянуть индекс Н/О, отражающий отношение суммы незаменимых аминокислот (Н в мг) к общему содержанию азота белков (О в г), который помогает определению соотношении азота незаменимых, или эссенциальных, аминокислот и неспецифического азота. Чем ниже величина Н/О тем выше содержание неспецифического азота. Для белков молока и яиц этот индекс сравнительно высок - 3,1-3,25, для мяса - 2,79-2,94; для пшеницы - 2. Большое значение придается показателю аминокислотного скора, позволяющему получить более полное суждение о биологической ценности белка на основании его хим. состава.

Метод скора основан на подсчете в исследуемом продукте процента обеспечения каждой из незаменимых аминокислот по сравнению с идеальными аминокислотными шкалами.

С этой целью для каждой из эссенциальных аминокислот исследуемого белка рассчитывается величина I иссл, равная А иссл /Н иссл, отражающая отношение каждой незаменимой аминокислоты (А в мг) к сумме незаменимых аминокислот (Н в г); полученная цифра сопоставляется с величиной I ст, равной А ст /Н ст для той же аминокислоты, рассчитанной по стандартной шкале. В результате деления величин Iиссл на Iст и умножения на 100 получают показатель аминокислотного скора для каждой из незаменимых аминокислот. Лимитирующей биологическую ценность исследуемого белка является аминокислота, показатель аминокислотного скора для которой является наименьшим. В качестве стандартных шкал наряду с предварительной шкалой ФАО используют аминокислотные шкалы куриных яиц и женского молока (табл. 5).

Таблица 5. СТАНДАРТНЫЕ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ШКАЛЫ

В соответствии с показателями аминокислотного скора (табл. 6) наименьшей биологической ценностью обладают белки ряда злаковых, особенно пшеницы (50%; лимитирующие аминокислоты - лизин и треонин); кукурузы (45%; лимитирующие аминокислоты - лизин и триптофан); проса (60%; лимитирующие аминокислоты - лизин и треонин); гороха (60%; лимитирующие аминокислоты - метионин и цистин). Показатель аминокислотного скора лимитирующей аминокислоты устанавливает предел использования азота данного вида белка для пластических целей. Избыток других содержащихся в белке аминокислот может использоваться только как источник неспецифического азота или для энергетических нужд организма. Метод изучения аминокислотного состава является одним из основных способов оценки качества белков. Обычно он позволяет получить показатели усвояемости, близкие по отношению к результатам более длительных и дорогостоящих методов биологического определения ценности белков. В то же время установление в ряде случаев достоверных расхождений между указанными показателями заставляет прибегать при исследовании новых белковых продуктов к интегральным методам биол. оценки как на лабораторных животных, так и непосредственно на людях. Эти методы основаны на изучении в балансовых опытах полноты использования отдельных белков растущими животными (показатель белковой эффективности рациона), соотношения удерживаемого организмом азота к азоту, адсорбированному из кишечника (показатель биол. ценности), отношения адсорбированного азота к общему азоту пищи (показатель истинной переваримости) и т. п. При постановке исследований по изучению биол, ценности белка обязательным является достаточно калорийное обеспечение рациона, его сбалансирование по всем незаменимым факторам питания(см. Сбалансированное питание) и сравнительно низкий уровень белков - в пределах 8- 10% от общей калорийности (см. Обмен веществ и энергии). Сопоставление показателей аминокислотного скора и утилизации белка, определенной в опытах на экспериментальных животных для некоторых продуктов, представлено в табл. 6.

Таблица 6. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АМИНОКИСЛОТНОГО СКОРА И УТИЛИЗАЦИИ БЕЛКА

Важным преимуществом биологических методов оценки белков является их интегральность, дающая возможность учитывать весь комплекс свойств продуктов, влияющих на усвояемость входящих в них белков. Изучая биологическую ценность отдельных белков, не следует забывать, что практически во всех рационах питания используются не отдельные белки, а их комплексы, причем, как правило, различные белки взаимно дополняют друг друга, обеспечивая некоторые средние показатели усвоения белкового азота. При достаточно разнообразных смешанных диетах показатель переваримости белков рационов питания сравнительно постоянен и приближается к 85%, что нередко используется при проведении практических расчетов.

Рис. 2. Реакция Даниэлли на белки, содержащие тирозин, триптофан, гистидин в ушке сердца.

В основе гистохимических методов выявления белков лежат, как правило, биохимические методы, приспособленные для определения белков в тонких тканевых срезах. Следует иметь в виду, что биохимическая реакция может быть использована как гистохимическая в том случае, если продукт реакции имеет устойчивую цветную окраску, выпадает в осадок и не обладает выраженной склонностью к диффузии. Гистохимические методы выявления белков в тканях базируются на выявлении определенных аминокислот, входящих в состав белков (например, реакция Миллона на тирозин, реакция Сакагуши на аргинин, реакция Адамса на триптофан, реакция тетразониевого сочетания на гистидин, тирозин, триптофан и т. д.), на выявлении определенных химических групп (NH 2 =,COOH - ,SH=,SS = и т. п.), на применении некоторых физико-химических методов (цветн. рис. 1-3), определении изоэлектрической точки и т. д. Наконец, выяснить наличие в тканевом срезе некоторых аминокислот можно косвенным путем, определив наличие в тканях ферментов, связанных с этими аминокислотами (например, оксидазы D-аминокислот). Некоторые простые белки (коллаген, эластин, ретикулин, фибрин) выявляются в срезах с помощью многочисленных гистологических методов, среди которых предпочтительными являются так называемые полихромные методы (метод Маллори и его модификации, орсеинпикрофуксиновый метод Ромейса и др. Выявляются белки и при использовании методов люминесцентной микроскопии. Локализацию белков в тканях (миозинов, альбуминов, глобулинов, фибрина и т. д.) можно получить при помощи метода меченых антител по Кунсу и др. Эти методы и их модификации позволяют достаточно точно идентифицировать и определить локализацию отдельных белков, отличающихся друг от друга содержанием тех или иных аминокислот. Разрабатываются методы количественного определения белков, например, метод определения белков непрямой реакцией меченых антител, а также определения SH-групп по методу Барнетта и Зелигмана (см. Аминокислоты , гистохимические методы выявления аминокислот). Все упомянутые выше методы выявления белков в тканях обладают достаточной специфичностью и дают вполне достоверные результаты. Фиксация тканевого материала при использовании названных методов различна. Наиболее подходящими фиксаторами в большинстве случаев следует считать этиловый или метиловый спирт, обезвоженный ацетон, смесь этилового спирта с формалином, раствор трихлоруксусной кислоты на спирте, в некоторых случаях (для протеидов передней доли гипофиза) применяется формалин. Выбор фиксатора зависит от метода, время фиксации - от общего количества и характера ткани. Можно использовать криостатные или парафиновые срезы.

Радиоактивные белки

Радиоактивные белки - белковые вещества, в молекуле которых содержится один или несколько атомов радиоактивных изотопов каких-либо элементов. При радиоактивном мечении белков необходимо обеспечить прочность и возможно большую сохранность белковой молекулы. В качестве радиоактивной метки белков для биохимических экспериментальных исследований используются главным образом изотопы 3 Н и 14 С; при получении радиофармацевтических препаратов на основе белков применяют изотопы йода - 125 I и 131 I, а также изотопы 111 In, 113m In , 99м Tc и др. Введение изотопов йода в белки основано на электрофильном замещении водорода на йод в фенольном ядре тирозина молекулы белка или пептида. Меченый белок очищают от несвязанного йодида и других примесей (путем гельфильтрации, диализа, адсорбции, ионообмена, изоэлектрического осаждения и др.). Если белки не содержит тирозина, для проведения йодирования в него вводят содержащие радиоактивный йод заместители, или используют тирозинсодержащие аналоги, или же прибегают к метке другими радиоактивными изотопами (см.).

Радиоактивные белки имеют важное значение в изучении катаболизма и метаболизма белковых веществ в экспериментальных биохимических исследованиях. Кроме того, их используют в радиоизотопной диагностике in vivo и in vitro при изучении функционального состояния многих органов и систем организма в случае различных заболеваний. В исследованиях in vivo наибольшее применение находит альбумин сыворотки крови человека, меченный радиоактивными изотопами йода (125 I и 131 I), а также получаемые на его основе путем тепловой денатурации и агрегации с той же меткой микро-и макроагрегаты альбумина. С помощью меченого альбумина могут быть определены показатели гемодинамики и регионального кровообращения, объем циркулирующей крови и плазмы, произведено сканирование сердца и крупных сосудов (см. Сканирование), а также опухолей головного мозга. Микроагрегаты альбумина используют для сканирования печени и желудка, определения кровотока печени, а макроагрегаты - для сканирования легких.

Радиоактивные белки нашли широкое применение при определении микроколичеств гормонов, ферментов и других белковых веществ в тканях и средах организма животных и человека в исследованиях in vitro.

Библиография: Белки, под ред. Г. Нейрата и К. Бэйли, пер. с англ., т. 1-3, М., 1956 -1959, библиогр.; Биосинтез белка и нуклеиновых кислот, под ред. А. С. Спирина, М., 1965; Гауровнц Ф. Химия и функции белков, пер. с англ.. М., 1965; Ичас М. Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Киселев Л. Л. и др. Молекулярные основы биосинтеза белков. М., 1971; Поглааов Б. Ф. Структура и функции сократительных белков, М., 1965; Спирин А. С. и Гаврилова Л. П. Рибосома, М., 1971; Химия и биохимия нуклеиновых кислот, под ред. И. Б. Збарского и С. С. Дебова, Л., 1968; Advances in protein chemistry, ed. by M. L. Anson a. J. T. Edsall, v. 1-28, N. Y., 1944-1974; Hess G. P. a. R up ley J. A. Structure and function of proteins, Ann. Rev. Biochcm., v. 40, p. 1013, 1971; In vitro procedures with radioisotopes in mcdlcinc, Proceedings of the symposium, Vienna, 1970; M a r g-l(n A. a. Nerrif ieldR.B. Chemical synthesis of peptides and proteins, Ann. Rev. Biochem.,v. 39,p. 841, 1970; Proteins, composition, structure, and function, ed. by H. Neurath, v. 1 - 5, N. Y.-L., 1963- 1970.

Б. в питании - Лавров Б. A. Учебник физиологии питания, с. 92, М., 1935; Молчанова О. П. Значение белка в питании для растущего и взрослого организма, в кн.: Вопр. пит., под ред. О. П. Молчановой, в. 2, с. 5, М., 1950; П о к р овский А. А. К вопросу о потребностях различных групп населения в энергии и основных пищевых веществах, Вестн. АМН СССР, № 10, с. 3, 1966, библиогр.; он же, Фиэиолого-биохимические основы разработки продуктов детского питания, М., 1972; Energy

Гистохимические методы выявления Б. в тканях - Кисели Д. Практическая микротехника и гистохимия, пер. с веягер., с. 119, 152, Будапешт» 1962; Л и л-л я р. Патогистологическая техника и Фактическая гистохимия, пер. с англ., с. 509, М., 1969; П и р с Э. Гистохимия, пер. е англ.. М., 1962; Принципы и методы гп-гго-цитохимического анализа в патологии, аод ред. А. П. Авцына и др., с. 238, JI., ".971; Р е а г s е A. G. Е. Histochemistry, т. 1-2, Edinburgh - L., 1969-1972.

И. Б. Збарский; А. А. Покровский (пит.), В. В. Седов (рад.), Р. А. Симакова (гист.).

Здравствуйте, мои дорогие читатели. С вами я, Галина Баева, и сегодня мы поговорим о строении и функциях молекул белка.

Зачем он нужен, этот белок? Может, без него обойдемся?

Нет, не обойдемся. Бородатый основатель диалектического материализма Фридрих Энгельс сказал: жизнь – есть способ существования белковых тел. Иначе говоря, белок – это жизнь, нет белка – увы и ах. В норме белок составляет 50%, т.е. половину от сухой массы клетки, а от сухой массы тела человека они составляют от 45% .

Особенности строения белков позволяют им проявлять различные свойства, чем обусловлены их разнообразные биологические функции

Белки иначе называют протеинами, это одно и то же.

Чем занимаются белки в организме?

1. Протеины являются теми кирпичиками, из которых сложен наш организм. Они являются структурными элементами клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), и внеклеточных структур. Коллаген образует сухожилия, он же отвечает за упругость кожи, кератин образует волосы и ногти.
2. Протеины транспортируют необходимые элементы по организму. Гемоглобин переносит кислород от легких ко всем органам и тканям, а от них – уносит углекислый газ, белок альбумин переносит жирные кислоты, особые белки таскают холестерин. В составе клеточных мембран имеются белки, которые обеспечивают перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внеклеточное пространство и обратно.
3. Гормоны – особые вещества, регулирующие процессы обмена веществ – имеют белковую природу. Например, гормон инсулин загоняет сахар из плазмы крови в клетки
4. Протеины защищают организма от чужеродных агентов. Гамма — глобулины обезвреживают микробов, интерфероны подавляют размножение вирусов. Фибрин останавливает кровотечения.
5. Протеины обеспечивают сокращение двигательной мускулатуры и других сокращающихся тканей. Актин и миозин входят в состав мышц тела, тропонин, тропомиозин – мышц сердца.
6. Протеины принимают сигналы из внешней среды и передают команды в клетку. Под воздействием факторов внешней среды сигнальные белки изменяют свою третичную структуру, что в свою очередь запускает цепь биохимических процессов. Так родопсин реагирует на свет, преобразуя световую энергию в электрическую, которая передается по нервным клеткам в головной мозг, где формируется зрительная картинка.
7. Протеины являются ферментами – катализаторами, благодаря которым возможно протекание биохимических реакций при низких температурах (37 0 С).
8. Протеины – регуляторы включают и выключают гены клетки, тем самым подавляя либо активируя биохимические процессы.
9. Протеины, как правило, не накапливаются в организме, за исключением альбумина яйца и казеина молока. Лишних белков в организме нет. Однако, они могут соединяться с другими веществами и микроэлементами, препятствуя их выведению из организма. Так ферритин образует комплекс с железом, высвобождающимся при распаде гемоглобина, и вновь включает его в биологические процессы.
10. Протеины могут давать энергию. При распаде 1 г. белка выделяется 4 ккал (17,6 кДж). В качестве источника энергии белки используются при истощении других, нормативных источников – углеводов и жиров. Перефразируя Д.И.Менделеева, можно сказать, что топить белками, это все равно что топить ассигнациями, настолько они ценны для организма.

Что представляет собой молекула жизни?

Это длинная цепочка, т.е. полимер, состоящая из мономеров – аминокислот. Почему аминокислот? Потому что у каждой молекулы есть хвост органической кислоты C-O-OH и аминогруппа NH 2 . В цепочке-полимере каждый мономер – аминокислота присоединяет свой кислотный остаток к аминогруппе другого мономера, получается прочная связь, именуемая пептидной .

Понятия белок и пептид близки, но не равнозначны. Обычно пептидами называют некоторую последовательность аминокислотных остатков. Выделяют олигопептиды – короткие цепочки в 10-15 аминокислот и полипептиды – длинные цепочки аминокислотных последовательностей. Белок – это полипептид, имеющий особую форму пространственной организации.

Нанизывая аминокислоты, как бусинки в ожерелке, формируется первичная структура белка, т.е. последовательность аминокислотных остатков.\

В пространстве белок существует не в виде вытянутой нитки, а завивается спиралью, т.е. формирует вторичную структуру.

Спиралька сворачивается в шарик – глобулу, это уже третичная структура белка.

Некоторые белки (не все) имеют четвертичную структуру , объединяя в своем составе несколько молекул, каждая со своей первичной, вторичной и третичной структурой.

Зачем это надо знать? Потому что переваривание и усвоение белка напрямую зависит от его структуры: чем плотнее упакован белок в составе пищевого продукта, тем тяжелее он поддается перевариванию, тем больше энергии надо затратить на его усвоение.

Распад связей в молекуле белка называется денатурацией . Денатурация может быть обратимой, когда белок восстанавливает структуру, и необратимой. Необратимой денатурации белки подвергаются в том числе при воздействии высокой температуры – для человека это свыше 42 0 С, именно поэтому лихорадка опасна для жизни.

Мы подвергаем белки контролируемой денатурации в процессе приготовления пищи, когда варим мясо или рыбу, кипятим молоко, жарим или варим яйца, варим каши и печем хлеб. При мягком температурном воздействии, белки с распавшимися связями становятся более доступными для пищеварительных ферментов и лучше усваиваются организмом. При длительном и жестком температурном воздействии – жарке на углях, длительной варке – происходит вторичная денатурация белка с образованием трудноперевариваемых соединений.

Аминокислоты

Существует более двух сотен различных аминокислот, но в составе белков — полимеров постоянно встречаются лишь двадцать. Эти 20 «магических» аминокислот делятся на две неравные группы: заменимые, т.е. те, которые могут вырабатываться самим организмом, и незаменимые (эссенциальные), они организмом человека не вырабатываются, и мы должны в обязательном порядке получать их с пищей.

К заменимым аминокислотам относятся: Аланин, Аргинин, Аспаргин, Аспарагиновая кислота, Глицин, Глутамин, Глутаминовая кислота, Пролин, Серин, Тирозин, Цистин.

Незаменимые аминокислоты: Валин, Изолейцин, Лейцин, Лизин, Метионин, Трионин, Триптофан, Фенилаланин

Для детей незаменимыми аминокислотами являются Аргинин и Гистидин.

По аминокислотам будет отдельный пост.

Классификация белков

Полноценный белок содержит в своем составе все необходимые аминокислоты, а неполноценный белок, соответственно, каких-то аминокислот не содержит.

Для строительства всех белков организма важно не только наличие всех аминокислот, но и их пропорции в пищевом продукте. Пища, наиболее близкая по аминокислотному составу белкам тела человека, является оптимальной. Если какой-то одной аминокислоты не хватает, другие аминокислоты не могут использоваться организмом, более того, для того, чтобы возместить нехватку, начнут распадаться собственные белки, в первую очередь белки – ферменты, участвующие в процессах биосинтеза, и мышечные белки. В условиях недостатка той или иной незаменимой аминокислоты, другие аминокислоты оказываются избыточными, хотя этот избыток относительный. Распадающиеся мышечные белки образуют высокотоксичные продукты обмена и усиленно выводятся организмом, создавая отрицательных азотистый баланс. Человек начинает хиреть, хотя может искренне считать, что с питанием у него все в порядке.

По своему происхождению белки делятся на животные и растительные.

К животным белкам относятся белки яиц, молока и молочных продуктов, рыбы и морепродуктов, мясо животных и птиц.

К растительным белкам относятся белки зерновых, бобовых, орехов и грибов.

Продукты питания считаются белковыми, если они содержат не меньше 15% белка.

Все животные белки являются полноценными, т.е. содержат полный набор аминокислот. Большинство растительных белков являются неполноценными.

При недостаточном поступлении белка с пищей в организме развиваются дегенеративные процессы, связанные с невозможностью выполнять необходимые функции. В первую очередь страдает иммунитет. Человек становится предрасположен к вирусным и бактериальным инфекциям, болезни приобретают затяжной, хронический характер. Начинают выпадать волосы, кожа становится дряблой, морщинистой. Страдает волевая сфера, человека охватывает апатия, полное нежелание чем-либо заниматься, присоединяется депрессия. Уменьшается мышечная масса, замедляется обмен веществ. Начинаются проблемы с пищеварением, появляется т.н. «синдром раздраженного кишечника», когда прием пищи сопровождается метеоризмом, поносы сменяются запорами и наоборот. Угнетается детородная функция, у женщин прекращаются месячные. В тяжелых случаях начинаются структурные изменения в органах и тканях, видимое истощение. Белковое голодание детей приводит к умственной отсталости.

Тяжелое белковое голодание в наше время в цивилизованных странах, куда мы относим и нашу страну, если исключить заболевания, типа туберкулеза или онкологии, встречаются у людей, практикующих безумные голодные диеты в маниакальном стремлении похудеть.

Последнее сообщение касалось Анджелины Джоли, ее госпитализировали с весом 35 кг – такими застали советские освободители узников нацистских конц.лагерей. Вряд ли живые скелеты являли собой образцы красоты.

Однако недостаток белка – не такое уж редкое состояние, объясняющееся нездоровой структурой питания, сложившейся вследствие относительной дороговизны белковых продуктов. В стремлении сэкономить люди переходят на углеводно-жировую диету с потреблением неполноценного растительного белка. Свою лепту вносят полуфабрикаты, изготовленные из суррогатов и белковыми продуктами не являющимися. Так человек, покупающий готовые котлеты, колбасу, сосиски может искренне считать, что потребляет достаточно белка. Не заблуждайтесь.

В следующей статье вы узнаете, сколько и какого белка необходимо человеку, чтобы оставаться здоровым.

Оставляйте комментарии, делитесь информацией в социальных сетях. Галина Баева.

Чтобы представить, какое значение имеют белки, достаточно вспомнить широко известную фразу Фридриха Энгельса: «Жизнь - есть способ существования белковых тел». На самом деле на Земле эти вещества наряду с нуклеиновыми кислотами обуславливают все проявления живой материи. В данной работе мы выясним, из чего состоит белок, изучим, какую функцию он выполняет, а также определим особенности строения различных видов.

Пептиды - высокоорганизованные полимеры

Действительно, в живой клетке как растительной, так и животной, белки количественно преобладают над другими органическими веществами, а также выполняют наибольшее количество разнообразных функций. Они участвуют во множестве различных очень важных клеточных процессов, таких как движение, защита, сигнальная функция и так далее. Например, в мышечной ткани животных и человека пептиды составляют до 85 % от массы сухого вещества, а в костной и дерме - от 15-50 %.

Все клеточные и тканевые белки состоят из видов). Их количество в живых организмах всегда равно двадцати видам. Различные комбинации мономеров пептидов образуют разнообразие белков в природе. Оно исчисляется астрономическим числом 2х10 18 возможных видов. В биохимии полипептиды называют высокомолекулярными биологическими полимерами - макромолекулами.

Аминокислоты - мономеры протеинов

Все 20 видов этих химических соединений являются структурными единицами белков и имеют общую формулу NH 2 -R-COOH. Они являются амфотерными органическими веществами, способными проявлять как основные, так и кислотные свойства. Не только простые белки, но и сложные, содержат так называемые заменимые аминокислоты. А вот незаменимых мономеров, например, таких как, валин, лизин, метионин можно встретить только в некоторых протеины именуют полноценными.

Поэтому, характеризуя полимер учитывают не только из скольких аминокислот состоит белок, но и какие именно мономеры соединяются пептидными связями в макромолекулу. Добавим еще, что заменимые аминокислоты, такие как аспарагин, глютаминовая кислота, цистеин могут самостоятельно синтезироваться в клетках человека и животных. Незаменимые образуются в клетках бактерий, растений и грибов. Они поступают в гетеротрофные организмы только с пищей.

Как образуется полипептид

Как известно, 20 различных аминокислот могут соединяться во множество всевозможных белковых молекул. Как же происходит связывание мономеров между собой? Оказывается, что карбоксильные и аминные группы рядом лежащих аминокислот взаимодействуют между собой. Образуются так называемые пептидные связи, а молекулы воды выделяются как побочный продукт реакции поликонденсации. Образовавшиеся молекулы белков состоят из остатков аминокислот и многократно повторяющихся пептидных связей. Поэтому их еще называют полипептидами.

Часто протеины могут содержать не одну, а сразу несколько полипептидных цепей и состоять из многих тысяч аминокислотных остатков. Более того, простые белки, а также протеиды способны усложнять свою пространственную конфигурацию. При этом создается не только первичная, но и вторичная, третичная и даже четвертичная структура. Рассмотрим этот процесс более детально. Продолжая изучать вопрос: из чего состоит белок, выясним какую же конфигурацию имеет эта макромолекула. Выше мы установили, что полипептидная цепь содержит множество ковалентных химических связей. Именно такая структура называется первичной.

В ней важную роль играет количественный и качественный состав аминокислот, а также последовательности их соединения. Вторичная структура возникает в момент образования спирали. Она стабилизируется многими вновь возникающими водородными связями.

Высшие уровни организации белков

Третичная структура появляется в результате упаковывания спирали в виде шара - глобулы, например, ткани миоглобин имеет именно такую пространственную структуру. Она поддерживается, как вновь образующимися водородными связями, так и дисульфидными мостиками (если в молекулу белка входит несколько остатков цистеина). Четвертичная форма - это результат объединения в единую структуру сразу нескольких белковых глобул посредством новых видов взаимодействий, например, гидрофобных или электростатических. Наряду с пептидами в четвертичную структуру входят и небелковые части. Ими могут быть ионы магния, железа, меди или же остатки ортофосфатной или нуклеиновых кислот, а также липиды.

Особенности биосинтеза протеинов

Ранее нами было выяснено из чего состоит белок. Он построен из последовательности аминокислот. Их сборка в полипептидную цепь происходит в рибосомах - немембранных органеллах растительных и животных клеток. В самом процессе биосинтеза также принимают участие молекулы информационной и Первые являются матрицей для сборки белка, а вторые транспортируют различные аминокислоты. В процессе клеточного биосинтеза возникает дилемма, а именно, белок состоит из нуклеотидов или аминокислот? Ответ однозначный - полипептиды как простые, так и сложные состоят из амфотерных органических соединений - аминокислот. В жизненном цикле клетки существуют периоды её деятельности, когда синтез белков происходит особенно активно. Это так называемые стадии J1 и J2 интерфазы. В это время клетка активно растет и нуждается в большом количестве строительного материала, которым и является белок. Кроме того, в результате митоза, заканчивающегося образованием двух дочерних клеток, каждая из них нуждается в большом количестве органических веществ, поэтому на каналах гладкой эндоплазматической сети идет активный синтез липидов и углеводов, а на гранулярной ЭПС происходит биосинтез белков.

Функции белков

Зная из чего состоит белок, можно объяснить как огромное разнообразие их видов, так и уникальные свойства, присущие эти веществам. Белки выполняют в клетке самые разнообразные функции, например, строительную, так как входят в состав мембран всех клеток и органоидов: митохондрий, хлоропластов, лизосом, комплекса Гольджи и так далее. Такие пептиды, как гамоглобулины или антитела - это примеры простых белков, выполняющих защитную функцию. Иными словами, клеточный иммунитет - это результат действия данных веществ. Сложный белок - гемоцианин, наряду с гемоглобином, выполняет у животных транспортную функцию, то есть переносит кислород в крови. Сигнальные белки, входящие в состав клеточных мембран, обеспечивают информирование самой клетки о веществах, пытающихся попасть в её цитоплазму. Пептид альбумин отвечает за основные показатели крови, например, за её способность к свертыванию. Белок куриных яиц овальбумин запасется в клетке и служит основным источником питательных веществ.

Белки - основа цитосклета клетки

Одна из важных функций пептидов - опорная. Она очень важна для сохранения формы и объема живых клеток. Так называемые подмембранные структуры - микротрубочки и микронити переплетаясь образуют внутренний скелет клетки. Белки, входящие в их состав, например, тубулин, способны легко сжиматься и растягиваться. Это помогает клетке сохранить свою форму при различных механических деформациях.

В растительных клетках, наряду с белками гиалоплазмы, опорную функцию выполняют также тяжи цитоплазмы - плазмодесмы. Проходя через поры в клеточной стенке, они обуславливают взаимосвязь между рядом лежащими клеточными структурами, образующими растительную ткань.

Ферменты - вещества белковой природы

Одно из важнейших свойств протеинов - их влияние на скорость протекания химических реакций. Основные белки способны к частичной денатурации - процессу раскручивания макромолекулы в третичной или четвертичной структуре. Сама же полипептидная цепь при этом не разрушается. Частичная денатурация лежит в основе как сигнальной, так и Последнее свойство представляет собой способность ферментов влиять на скорость протекания биохимических реакций в ядре и цитоплазме клетки. Пептиды, которые, наоборот, снижают скорость химических процессов принято называть не ферментами, а ингибиторами. Например, простой белок каталаза является ферментом, который ускоряет процесс расщепления токсического вещества пероксида водорода. Оно образуется как конечный продукт многих химических реакций. Каталаза ускоряет его утилизацию до нейтральных веществ: воды и кислорода.

Свойства белков

Пептиды классифицируют по многим признакам. Например, по отношению к воде их можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. Температура также по-разному влияет на структуру и свойства белковых молекул. К примеру, белок кератин - компонент ногтей и волос может выдерживать как низкую, так и высокую температуру, то есть является термолабильным. А вот белок овальбумин, уже упоминающийся ранее, при нагревании до 80-100 °С полностью разрушается. Это значит, что его первичная структура расщепляется на остатки аминокислот. Такой процесс называется деструкцией. Какие бы условия мы не создавали, в нативную форму белок возвратится уже не может. Двигательные белки - актин и милозин присутствуют в мышечных волокнах. Их поочередное сокращение и расслабление лежит в основе работы мышечной ткани.

Существуют несколько подходов к классификации белков: по форме белковой молекулы, по составу белка, по функциям. Рассмотрим их.

Классификация по форме белковых молекул

По форме белковых молекул различают фибриллярные белки и глобулярные белки.

Фибриллярные белки представляют собой длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси и скреплены друг с другом поперечными сшивками (рис. 18,б). Эти белки отличаются высокой механической прочностью, нерастворимы в воде. Они выполняют главным образом структурные функции: входят в состав сухожилий и связок (коллаген, эластин), образуют волокна шелка и паутины (фиброин), волосы, ногти, перья (кератин).

В глобулярных белках одна или несколько полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру – клубок (рис. 18,а). Эти белки, как правило, хорошо растворимы в воде. Их функции многообразны. Благодаря им осуществляются многие биологические процессы, о чем подробнее будет изложено ниже.

Рис. 18. Форма белковых молекул:

а – глобулярный белок, б – фибриллярный белок

Классификация по составу белковой молекулы

Белки по составу можно разделить на две группы: простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислотных остатков и не содержат других химических составляющих. Сложные белки, помимо полипептидных цепей, содержат другие химические компоненты.

К простым белкам относятся РНКаза и многие другие ферменты. Фибриллярные белки коллаген, кератин, эластин по своему составу являются простыми. Запасные белки растений, содержащиеся в семенах злаков, – глютелины , и гистоны – белки, формирующие структуру хроматина, принадлежат также к простым белкам.

Среди сложных белков различают металлопротеины, хромопротеины, фосфопротеины, гликопротеины, липопротеины и др. Рассмотрим эти группы белков подробнее.

Металлопротеины

К металлопротеинам относят белки, в составе которых имеются ионы металлов. В их молекулах встречаются такие металлы, как медь, железо, цинк, молибден, марганец и др. Некоторые ферменты по своей природе являются металлопротеинами.

Хромопротеины

В составе хромопротеинов в качестве простетической группы присутствуют окрашенные соединения. Типичными хромопротеинами являются зрительный белок родопсин, принимающий участие в процессе восприятие света, и белок крови гемоглобин (Hb), четвертичная структура которого рассмотрена в предыдущем параграфе. В состав гемоглобина входит гем , представляющий собой плоскую молекулу, в центре которой расположен ион Fe 2+ (рис. 19). При взаимодействии гемоглобина с кислородом образуется оксигемоглобин . В альвеолах легких гемоглобин насыщается кислородом. В тканях, где содержание кислорода незначительно, оксигемоглобин распадается с выделением кислорода, который используется клетками:

.

Гемоглобин может образовывать соединение с оксидом углерода (II), которое называется карбоксигемоглобином :

.

Карбоксигемоглобин не способен присоединять кислород. Вот почему происходит отравление угарным газом.

Гемоглобин и другие гем-содержащие белки (миоглобин, цитохромы) называют еще гемопротеинами из-за наличия в их составе гема (рис. 19).

Рис. 19. Гем

Фосфопротеины

Фосфопротеины в своем составе содержат остатки фосфорной кислоты, связанные с гидроксильной группой аминокислотных остатков сложноэфирной связью (рис. 20).

Рис. 20. Фосфопротеин

К фосфопротеинам относится белок молока казеин. В его состав входят не только остатки фосфорной кислоты, но и ионы кальция. Фосфор и кальций необходимы растущему организму в больших количествах, в частности, для формирования скелета. Кроме казеина, в клетках много и других фосфопротеинов. Фосфопротеины могут подвергаться дефосфорилированию, т.е. терять фосфатную группу:

фосфопротеин + Н 2 протеин + Н 3 РО 4

Дефосфорилированные белки могут при определенных условиях быть снова фосфорилированы. От наличия фосфатной группы в их молекуле зависит их биологическая активность. Одни белки проявляют свою биологическую функцию в фосфорилированном виде, другие – в дефосфорилированном. Посредством фосфорилирования – дефосфорилирования регулируются многие биологические процессы.

Липопротеины

К липопротеинам относятся белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Эти белки встречаются в составе клеточных мембран. Липидный (гидрофобный) компонент удерживает белок в мембране (рис. 21).

Рис. 21. Липопротеины в клеточной мембране

К липопротеинам относят также белки крови, участвующие в транспорте липидов и не образующие с ними ковалентную связь.

Гликопротеины

Гликопротеины содержат в качестве простетической группы ковалентно связанный углеводный компонент. Гликопротеины разделяют на истинные гликопротеины и протеогликаны . Углеводные группировки истинных гликопротеинов содержат обычно до 15 – 20 моносахаридных компонентов, у протеогликанов они построены из очень большого числа моносахаридных остатков (рис. 22).

Рис. 22. Гликопротеины

Гликопротеины широко распространены в природе. Они встречаются в секретах (слюне и т.д.), в составе клеточных мембран, клеточных стенок, межклеточного вещества, соединительной ткани и т.д. Многие ферменты и транспортные белки являются гликопротеинами.

Классификация по функциям

По выполняемым функциям белки можно разделить на структурные, питательные и запасные белки, сократительные, транспортные, каталитические, защитные, рецепторные, регуляторные и др.

Структурные белки

К структурным белкам относятся коллаген, эластин, кератин, фиброин. Белки принимают участие в формировании клеточных мембран, в частности, могут образовывать в них каналы или выполнять другие функции (рис. 23).

Рис. 23. Клеточная мембрана.

Питательные и запасные белки

Питательным белком является казеин, основная функция которого заключается в обеспечении растущего организма аминокислотами, фосфором и кальцием. К запасным белкам относятся яичный белок, белки семян растений. Эти белки потребляются во время развития зародышей. В организме человека и животных белки в запас не откладываются, они должны систематически поступать с пищей, в противном случае может развиться дистрофия.

Сократительные белки

Сократительные белки обеспечивают работу мышц, движение жгутиков и ресничек у простейших, изменение формы клеток, перемещение органелл внутри клетки. Такими белками являются миозин и актин. Эти белки присутствуют не только в мышечных клетках, их можно обнаружить в клетках практически любой ткани животных.

Транспортные белки

Гемоглобин, рассмотренный в начале параграфа, является классическим примером транспортного белка. В крови присутствуют и другие белки, обеспечивающие транспорт липидов, гормонов и иных веществ. В клеточных мембранах находятся белки, способные переносить через мембрану глюкозу, аминокислоты, ионы и некоторые другие вещества. На рис. 24 схематически показана работа переносчика глюкозы.

Рис. 24. Транспорт глюкозы через клеточную мембрану

Белки-ферменты

Каталитические белки, или ферменты, представляют собой самую многообразную группу белков. Почти все химические реакции, протекающие в организме, протекают при участии ферментов. К настоящему времени открыто несколько тысяч ферментов. Более подробно они будут рассмотрены в следующих параграфах.

Защитные белки

К этой группе относятся белки, защищающие организм от вторжения других организмов или предохраняющие его от повреждений. Иммуноглобулины, или антитела, способны распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы или чужеродные белки, связываться с ними и способствовать их обезвреживанию.

Другие компоненты крови, тромбин и фибриноген, играют важную роль в процессе свертывания крови. Они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудов. Под действием тромбина от молекул фибриногена отщепляются фрагменты полипептидной цепи, в результате этого образуется фибрин :

фибриноген фибрин.

Образовавшиеся молекулы фибрина агрегируют, формируя длинные нерастворимые цепи. Сгусток крови вначале является рыхлым, затем он стабилизируется за счет межцепочечных сшивок. Всего в процессе свертывания крови участвует около 20 белков. Нарушения в структуре их генов является причиной такого заболевания, как гемофилия – сниженная свертываемость крови.

Рецепторные белки

Клеточная мембрана является препятствием для многих молекул, в том числе и для молекул, предназначенных для передачи сигнала внутрь клеток. Тем не менее клетка способна получать сигналы извне благодаря наличию на ее поверхности специальных рецепторов, многие из которых являются белками. Сигнальная молекула, например, гормон, взаимодействуя с рецептором, образует гормон-рецепторный комплекс, сигнал от которого передается далее, как правило, на белковый посредник. Последний запускает серию химических реакций, результатом которых является биологический ответ клетки на воздействие внешнего сигнала (рис. 25).

Рис.25. Передача внешних сигналов в клетку

Регуляторные белки

Белки, участвующие в управлении биологическими процессами, относят к регуляторным белкам. К ним принадлежат некоторые гормоны . Инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови. Гормон роста, определяющий размеры тела, и паратиреоидный гормон, регулирующий обмен фосфатов и ионов кальция, являются регуляторными белками. К этому классу белков принадлежат и другие протеины, участвующие в регуляции обмена веществ.

Интересно знать! В плазме некоторых антарктических рыб содержатся белки со свойствами антифриза, предохраняющие рыб от замерзания, а у ряда насекомых в местах прикрепления крыльев находится белок резилин, обладающий почти идеальной эластичностью. В одном из африканских растений синтезируется белок монеллин с очень сладким вкусом.

Для описания строения белковой молекулы были введены понятия о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белковой молекулы. В последние годы появились еще такие понятия, как сверхвторичная структура, характеризующая энергетически предпочтительные агрегаты вторичной структуры, и домены – части белковой глобулы, представляющие собой достаточно обособленные глобулярные области.

Количество и последовательность расположения аминокислот, и местоположение дисульфидных связей в полипептидной цепи определяют первичную структуру белка. Между первичной структурой белка и его функцией у данного организма существует самая тесная связь. Для того, чтобы белок выполнял свойственную ему функцию, необходима совершенно определенная последовательность аминокислот в полипептидной цепи этого белка. Даже небольшие изменения в первичной структуре могут значительно изменять свойства белка и соответственно его функции. Например, в эритроцитах здоровых людей содержится белок– гемоглобин с определенной последовательностью аминокислот. Небольшая часть людей имеет врожденную аномалию структуры гемоглобина: их эритроциты содержат гемоглобин, у которого в одном положении вместо глутаминовой кислоты (заряженной, полярной) содержится аминокислота валин (гидрофобная, неполярная). Такой гемоглобин существенно отличается по физико-химическим и биологическим свойствам от нормального. Появление гидрофобной аминокислоты, приводит к возникновению «липкого» гидрофобного контакта (эритроциты плохо передвигаются в кровеносных сосудах), к изменению формы эритроцита (из двояковогнутого в серповидный), а также к ухудшению переноса кислорода и т.д. Дети, родившееся с этой аномалией, в раннем детстве погибают от серповидноклеточной анемии.

Исчерпывающие доказательства в пользу утверждения, что биологическая активность определяется аминокислотной последовательностью, были получены, после искусственного синтеза фермента рибонуклеазы (Меррифилд). Синтезированный полипептид с той же аминокислотной последовательностью, что и естественный фермент, обладал такой же ферментативной активностью.

Исследования последних десятилетий показали, что первичная структура закреплена генетически и в свою очередь определяет вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы и ее общую конформацию. Первым белком, у которого была установлена первичная структура, был белковый гормон инсулин (содержит 51 аминокислоту). Это было сделано в 1953 г. Фредериком Сэнгером. К настоящему времени расшифрована первичная структура более десяти тысяч белков, но это очень небольшое количество, если учесть, что в природе белков около 10 12 .

Зная первичную структуру белка, можно точно написать его структурную формулу, если белок представлен одной полипептидной цепью. Если в состав белка входит несколько полипептидных цепей, то их предварительно разъединяют, используя специальные реактивы. Для определения первичной структуры отдельной полипептидной цепи, методами гидролиза с использованием аминокислотных анализаторов, устанавливают ее аминокислотный состав. Затем, применяя специальные методы и реагенты, определяют природу концевых аминокислот. Для установления порядка чередования аминокислот, полипептидную цепь подвергают ферментативному гидролизу, при котором образуются осколки этой полипептидной цепи – короткие пептиды. Эти пептиды разделяют методом хроматографии и устанавливают последовательность аминокислот в каждом. Таким образом, достигается этап, когда последовательность аминокислот в отдельных пептидах (фрагментах белка) известна, но остается невыясненной последовательность самих пептидов. Последнюю устанавливают с помощью так называемых перекрывающихся пептидов. Для этого используются какой-либо другой фермент, расщепляющий исходную полипептидную цепь в других участках, и определяют аминокислотную последовательность вновь полученных пептидов. Пептиды, образованные под действием двух ферментов, содержат одинаковые фрагменты аминокислотных последовательностей., совмещая их устанавливают общую аминокислотную последовательность полипептидной цепи.

Большой вклад в изучение строения белковой молекулы сделали Л.Полинг и Р.Кори. Обратив внимание на то, что в молекуле белка больше всего пептидных связей, они первыми провели кропотливые рентгеноструктурные исследования этой связи. Изучили длины связей, углы под которыми располагаются атомы, направление расположения атомов относительно связи. На основании исследований были установлены следующие основные характеристики пептидной связи.

1. Четыре атома пептидной связи и два присоединенных -углеродных атома лежат в одной плоскости. ГруппыRи Н-углеродных атомов лежат вне этой плоскости.

2. Атомы О и Н пептидной связи и два -углеродных атома иR-группы имеют транс-ориентацию относительно пептидной связи.

3. Длина связи С-N, равная 1,32 Å, имеет промежуточное значение между длиной двойной ковалентной связи (1,21 Å) и однородной ковалентной связи (1,47 Å). Отсюда следует, что связь С-Nимеет частично характер двойной связи. Т.е. пептидная связь может существовать в виде резонансных и таутамерных структур, в кето-енольной форме.

Вращение вокруг связи –С=N– затруднено и все атомы, входящие в пептидную группу, имеют планарную транс-конфигурацию. Цис-конфигурация является энергетически менее выгодной и встречается лишь в некоторых циклических пептидах. Каждый планарный пептидный фрагмент содержит две связи с-углеродными атомами, способными к вращению. Это связи С  –N(угол вращения вокруг этой связи обозначается) и связь С  –С (угол вращения вокруг этой связи обозначается).

Пептидная связь по своей химической природе является ковалентной и придает высокую прочность первичной структуре белковой молекулы. Являясь повторяющимся элементом полипептидной цепи и имея специфические особенности структуры, пептидная связь влияет не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи.

Вторичная структура белковой молекулы образуется в результате того или иного вида свободного вращения вокруг связей, соединяющих -углеродные атомы в полипептидной цепи.

В природных полипептидных цепях обнаружены три основных типа структуры: -спираль, складчатый лист и статистический клубок. Спиральная структура образуется если в цепи одинаковые углы поворотов () для всех связей С  –Nи углом поворота () для всех связей С  –С и равны соответственно –48º и –57º. Наиболее часто встречается правозакрученная-спираль. Эта структура очень стабильна, т.к. в ней почти или полностью отсутствуют стерические затруднения, особенно дляR-групп боковых цепей аминокислот.R-группы аминокислот направлены наружу от центральной оси-спирали. В-спирали диполи =С=О иN–Н соседних пептидных связей ориентированы оптимальным образом (почти коаксиальны) для дипольного взаимодействия, образуя вследствие этого обширную систему внутримолекулярных кооперативных водородных связей, стабилизирующих-спираль. Шаг спирали (один полный виток) 5,4Å включает, 3,6 аминокислотных остатка.

Рисунок 1 – Структура и параметры -спирали белка

Спиральную структуру могут нарушить два фактора:

1) в наличие остатка пролина, циклическая структура которого вносит излом в пептидную цепь – нет группы –NН 2 , поэтому невозможно образования внутрицепочечной водородной связи;

2) если в полипептидной цепи подряд расположено много остатков аминокислот, имеющих положительный заряд (лизин, аргинин) или отрицательный заряд (глутаминовой, аспарагиновой кислот), в этом случае сильное взаимное отталкивание одноименнозаряженных групп (–СОО – или –NН 3 +) значительно превосходит стабилизирующее влияние водородных связей в-спирали.

Структура типа складчатого листа также стабилизирована водородными связями между теми же диполями =NН...... О=С. Однако в этом случае возникает совершенно иная структура, при которой остов полипептидной цепи вытянут таким образом, что имеет зигзагообразную структуру. Углы вращения для связей С  -N () и С  -С () близки соответственно к –120+135 0 . Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т.е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные

одинаковонаправленные полипептидные цепи или антипараллельные,

которые укрепляются благодаря водородным связям между этими цепями. Такие структуры называются -складчатые листы (рисунок 2).

Рисунок 2 – -структура полипептидных цепей

-Спиральные складчатые листы – это упорядоченные структуры, в них имеется регулярная укладка аминокислотных остатков в пространстве. Участки белковой цепи с нерегулярной укладкой аминокислотных остатков в пространстве, которые также удерживаются благодаря водородным связям – называются неупорядоченными, бесструктурными – статистическим клубком. Все эти структуры возникают самопроизвольно и автоматически вследствие того, что данный полипептид имеет определенную аминокислотную последовательность, которая предопределена генетически. -спирали и-структуры обуславливают определенную способность белков к выполнению специфических биологических функций. Так,-спиральная структура (-кератин) хорошо приспособлена к тому, чтобы образовывать наружные защитные структуры-перья, волосы, рога, копыта.-структура способствует образованию гибких и нерастяжимых нитей шелка и паутины, а конформация белка коллагена обеспечивает высокую прочность на разрыв, необходимую для сухожилий. Наличие только-спиралей или-структур характерно для нитевидных-фибрилярных белков. В составе глобулярных-шаровидных белков содержание-спиралей и-структур и бесструктурных участков сильно варьирует. Например: инсулин спирализован-на 60%, фермент рибонуклеаза – 57%, белок куриного яйца лизоцим – на 40%.

Сведения о чередовании аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а также о наличии в белковой молекуле спирализованных, складчатых и неупорядоченных участков еще не дают полного представления ни об объеме, ни о форме, ни тем более о взаимном расположении участков полипептидной цепи по отношению друг к другу.

Эти особенности строения белка выясняются при изучении его третичной структуры, под которой понимают общее расположение в пространстве в определенном объеме полипептидной цепи.

Третичная структура устанавливается с помощью рентгеноструктурного анализа. Первая модель молекулы белка – миоглобина, отражающая его третичную структуру, была создана Дж. Кендрю с сотрудниками в 1957г. Несмотря на большие трудности к настоящему времени удалось установить третичную структуру более 1000 белков, в том числе гемоглобина, пепсина, лизоцима, инсулина и т.д.

Третичная структура белков образуется путем дополнительного складывания пептидной цепи содержащей -спираль,-структуры и участки без периодической структуры. Третичная структура белка формируется совершенно автоматически, самопроизвольно и полностью предопределяется первичной структурой. Основной движущей силой в возникновении трехмерной структуры, является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот группируются внутри белковой молекулы, в то время как полярные радикалы ориентируются в сторону воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная стабильная конформация молекулы – глобула. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией. На конформацию возникшей глобулы оказывают влияние такие факторы как рН раствора, ионная сила раствора, а также взаимодействие белковых молекул с другими веществами.

В последнее время появились доказательства, что процесс формирования третичной структуры не является автоматическим, а регулируется и контролируется специальными молекулярными механизмами. В этом процессе задействованы специфические белки – шапероны. Основными функциями их являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы.

Стабилизация третичной структуры обеспечивается благодаря нековалентным взаимодействиям между атомными группировками боковых радикалов следующих типов:

водородные связи могут возникать между функциональными группами боковых радикалов. Например, между ОН группой тирозина и –Nв кольце остатка гистидина.

электростатические силы притяжения между радикалами, несущими противоположно заряженные ионные группы (ион-ионные взаимодействия), например отрицательно заряженная карбоксильная группа (– СОО –) аспарагиновой кислоты и (NН 3 +) положительно заряженной-аминогруппой остатка лизина.

гидрофобные взаимодействия обусловлены силами Ван-дер-Ваальса между неполярными радикалами аминокислот. (Например, группами –СН 3 – аланина.

Стабилизируется третичная структура и ковалентной дисульфидной связью (–S–S–) между остатками цистеина. Эта связь очень прочная и присутствует не во всех белках. Важную роль эта связь играет в белковых веществах зерна и муки, т.к. оказывает влияние на качество клейковины, структурно-механические свойства теста и соответственно на качество готовой продукции – хлеба и т.д.

Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: в известных приделах возможны обратимые перемещения частей пептидной цепи относительно друг друга с разрывом небольшого количества слабых связей и образования новых. Молекула как бы дышит, пульсирует в разных своих частях. Эти пульсации не нарушают основного плана конформации молекулы, подобно тому, как тепловые колебания атомов в кристалле не изменяют структуру кристалла, если температура не настолько велика, что наступает плавление.

Только после приобретения белковой молекулой естественной, нативной третичной структуры он проявляет свою специфическую функциональную активность: каталитическую, гормональную, антигенную и т.д. Именно при образовании третичной структуры происходит формирование активных центров ферментов, центров ответственных за встраивание белка в мультиферментный комплекс, центров, ответственных за самосборку надмолекуляных структур. Поэтому любые воздействия (термические, физические, механические, химические), приводящие к разрушению этой нативной конформации белка (разрыв связей), сопровождается частичной или полной потерей белком его биологических свойств.

Изучение полных химических структур некоторых белков показало, что в их третичной структуре выявляются зоны, где сконцентрированы гидрофобные радикалы аминокислот, и полипептидная цепь фактически обматывается вокруг гидрофобного ядра. Более того, в ряде случаев в белковой молекуле обособляются два и даже три гидрофобных ядра, в результате возникает 2-х или 3-х ядерная структура. Такой тип строения молекулы характерен для многих белков, обладающих каталитической функцией (рибонуклеаза, лизоцим и т.д.). Обособленная часть или область молекулы белка обладающая в определенной степени структурной и функциональной автономией называется доменом. У ряда ферментов, например, обособленны субстрат-связывающие и кофермент связывающие домены.

Третичная структура белка имеет прямое отношение к его форме, которая может быть различной: от шарообразной до нитевидной. Форма белковой молекулы характеризуется таким показателем, как степень асимметрии (отношение длинной оси к короткой). У фибриллярных или нитевидных белков степень асимметрии больше 80. При степени асимметрии меньше 80 белки относятся к глобулярным. Большинство из них имеет степень асимметрии 3-5, т.е. третичная структура характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи, приближающейся по форме к шару.

В биологическом отношении фибриллярные белки играют очень важную роль, связанную с анатомией и физиологией животных. У позвоночных на долю этих белков приходится 1/3 от их общего содержания. Примером фибрилярных белков может служить белок шелка – фиброин, который состоит из нескольких антипараллельных цепей со структурой складчатого листа. Белок -кератин содержит от 3-7 цепей. Коллаген имеет сложную структуру, в которой 3 одинаковые левовращающие цепи скручены вместе с образованием правовращающей тройной спирали. Эта тройная спираль стабилизирована многочисленными межмолекулярными водородными связями. Наличие таких аминокислот, как гидроксипролина и гидроксилизина также вносит вклад в образование водородных связей, стабилизирующих структуру тройной спирали. Все фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде, так как в их составе содержится много аминокислот, содержащих гидрофобные, нерастворимые в водеR-группы изолейцин, фенилаланин, валин, аланин, метионин. После специальной обработки нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин-растворимую смесь полипептидов, который затем используют в пищевой промышленности.

Глобулярные белки выполняют разнообразные биологические функции. Они выполняют транспортную функцию, т.е. переносят питательные вещества, неорганические ионы, липиды и т.д. К этому же классу белков принадлежат гормоны, а также компоненты мембран и рибосом. Все ферменты тоже глобулярные белки.

Белки содержащие две или большее число полипептидных цепей называют олигомерными белками для них характерно наличие четвертичной структуры. Полипептидные цепи (промеры) в таких белках могут быть либо одинаковыми либо разными. Олигомерные белки называют гомогенными, если их протомеры одинаковы и гетерогенными, если их протомеры различны. Например-белок гемоглобин состоит из 4-х цепей: двух -и двух -протомеров. Фермент-амилаза состоит из 2-х одинаковых полипептидных цепей. В олигомерных белках каждая из полипептидных цепей характеризуется своей вторичной и третичной структурой, и называется субъединицей или протомером. Протомеры взаимодействуют друг с другом не любой частью своей поверхности, а определенным участком (контактной поверхностью). Контактные поверхности имеют такое расположение атомных группировок, между которыми возникают водородные, ионные, гидрофобные связи. Кроме того, геометрия протомеров также способствует их соединению. Протомеры подходят друг к другу, как ключ к замку. Такие поверхности называются комплиментарными. Каждый протомер взаимодействует с другим во множестве точек, это приводит к тому, что соединение с другими полипептидными цепями или белками невозможно. Такие комплиментарные взаимодействия молекул лежат в основе всех биохимических процессов в организме. Под четвертичной структурой понимают расположение полипептидных цепей (протомеров) относительно друг друга, т.е. способ их совместной укладки и упаковки с образованием нативной конформации олигомерного белка, в результате чего белок обладает той или иной биологической активностью.