Cтраница 1
Белковая молекула может состоять из одной или неск. Молекулы, содержащие менее 50 остатков, часто относят к пептидам.
Белковые молекулы огромны и очень сложны. Их молекулярный вес колеблется в пределах от 10 000 до нескольких миллионов.
Белковые молекулы различаются между собой в большой степени как по характеру, так и по числу аминокислотных остатков.
Белковая молекула образована из большого количества различных сс-аминокислот. Это в большой степени предопределяет химические свойства самих белков и в первую очередь их амфотерность.
Белковая молекула представляет собой полимер, состоящий из ковалентно связанных остатков аминокислот. Некоторые участки могут быть связаны ковалентной дисуль - - фидной связью (- S-S -), которая образуется при окислении SH-групп двух остатков цистеина.
Белковые молекулы могут быть шарообразными, глобулярными, а также удлиненными, нитевидными, фибриллярными. Чаще всего форма молекулы белка асимметричная, вытянутая. На рис. 4 показаны в соотношении Формы и размеры некоторых молекул белка.
Белковые молекулы в растворе имеют определенный заряд, который обусловлен наличием функциональных групп радикалов аминокислотных остатков, способных к электролитической диссоциации.
Белковые молекулы, имеющие определенное пространственное расположение (третичную структуру), называются глобулами.
Белковая молекула очень лабильна, легко денатурирует, в результате чего изменяются ее биологические и физико-химические свойства. Под действием ферментов, а также кислот белки расщепляются, образуя ряд промежуточных продуктов дезагрегации (протеозы, пептоны, пептиды) и конечные продукты гидролиза - аминокислоты.
Белковая молекула может состоять из одной или нескольких полипептидных цепей, содержащих от 2 - 3 десятков до нескольких сотен аминокислотных остатков каждая.
Белковые молекулы различаются не только числом остатков различных аминокислот, но также последовательностью остатков в полипептидной цепи и тем, как она изогнута. Число возможных белковых структур исключительно велико.
Белковые молекулы являются самыми крупными, самыми сложными и разнообразными из всех молекул, входящих в состав клеток живых организмов. Основная задача биофизики белков состоит в установлении связи между строением белков и их биологическими функциями.
Белковые молекулы иногда объединяются в более сложные структуры. Например, а-спиральные белковые молекулы часто скручиваются попарно во вторичные спирали. Глобулярные белковые молекулы могут сами образовывать спиральные структуры.
Белковые молекулы, хотя их размеры и очень большие относительно других молекул, все же недостаточно тяжелы, чтобы осесть в растворе под действием собственного веса, да и в обычной центрифуге их не осадить.
Белковые молекулы содержат обычно от сотни до нескольких сот остатков аминокислот, среди которых много одинаковых. Нетрудно представить себе, что число возможных сочетаний из 20 аминокислотных остатков, при столь большом количестве их в одной молекуле, чрезвычайно велико. Однако число различных реально существующих белков значительно меньше числа теоретически возможных сочетаний, поскольку далеко не любые первичные структуры соответствуют реальным молекулам, обладающим свойствами, необходимыми для живого организма. Тем не менее число встречающихся в природе различных белков очень велико.
Строение, свойства и биологические функции белков.
Белки - неотъемлемые компоненты любой живой клетки, которые обеспечивают и поддерживают ее жизнедеятельность. Молекулы белков представляют собой биополимеры, построенные в основном из амино-кислот. Кроме аминокислот в состав белковых молекул могут входить другие органические и неорганические компоненты. В белках содержится 50-55% углерода, 20-24% кислорода, 7% водорода, 0,5-3% серы; в состав некоторых белков могут также входить фосфор и различные металлы.
Огромное структурное разнообразие белков и широкий диапазон изменения их физико-химических свойств позволяют этим биополимерам выполнять разнообразные и жизненно важные функции в живом организме. В каждой растительной клетке одновременно функционируют несколько тысяч различных белков. Все биохимические реакции в клетке происходят с участием каталитических белков - ферментов. Структурная основа биологических мембран цитоплазмы и внутриклеточных органоидов также построена с участием белков. Защитную функцию выполняют белковые антитела и стрессовые белки, образующиеся под воздействием стрессовых факторов. Важную роль выполняют в растительных клетках регуляторные и транспортные белки, способные обратимо изменять свою конформацию и таким образом активно участвовать в поддерживании жизнедеятельности растения как саморегулирующейся системы.
В семенах и других органах растений откладываются запасные бел-ки, которые в значительной степени определяют питательную, кормовую и технологическую ценность растительной продукции. Много белков на-капливается в зерне зернобобовых культур - 20-30%, в сое и люпине - 30-40%, в семенах масличных культур - 15-30%. Содержание белков в другой растительной продукции составляет, %: зерновки злаковых растений – 9-18; кукуруза и рис – 6-10; клубни картофеля – 1,5-2; корнеплоды – 1-1,5; овощи, плоды и ягоды – 0,5-2; цветная капуста – 2-3; брюссельская капуста и чеснок –6-8; вегетативная масса мятликовых трав – 5-15, бобовых трав – 15-25 (последние два показателя даны в расчёте на сухую массу).
Первый белковый препарат был выделен из пшеничной муки в 1728 году Я.Б.Беккари и назван клейковиной. В 1809-10 г.г. появились первые сведения об элементном составе, а в 1836 г. предложена первая эмпири-ческая формула белков. В дальнейшем довольно активно многими иссле-дователями проводилось изучение продуктов распада белковых веществ и появлялось все больше и больше сведений о том, что основными про-дуктами гидролитического разложения белков являются аминокислоты. К 1899 г. уже было известно 13 аминокислот, большинство из которых были идентифицированы как продукты гидролиза белков.
Основополагающий вклад в разработку теории строения белков внесли работы Э.Фишера, который в 1901 г. предположил и затем экспери-ментально обосновал положение о том, что белковые молекулы постро-ены из аминокислот, остатки которых соединены пептидными связями. Образующиеся таким путем полимеры обычно называют полипептидами, а учение о построении белковых молекул из аминокислот, соединенных пептидными связями, - полипептидной теорией строения белков .
В образовании пептидной связи участвуют α-аминокислоты, которые взаимодействуют своими аминными и карбоксильными группами, при этом высвобождаются молекулы воды. У диаминомонокарбоновых кислот пептидную связь может образовать только аминогруппа, находящаяся в α-по-ложении, а у моноаминодикарбоновых кислот - карбоксильная группа, имеющая в α-положении аминогруппу. Углеводородные радикалы амино-кислотных остатков, соединенных пептидными связями, остаются в виде боковых радикалов. Так, например, из аланина, аспарагиновой кислоты и лизина образуется трипептид:
Название пептида составляется из названий образующих его амино-кислот, при этом аминокислота, имеющая свободную карбоксильную группу, записывается в конце формулировки, а у других аминокислот окончание изменяют на "ил" и их перечисляют в названии пептида в том порядке, в котором они находятся в структурной формуле полученного соединения. В соответствии с этим выше представленный трипептид имеет название - аланиласпарагиллизин.
Методом рентгеноструктурного анализа показано, что атомные группировки пептидной связи расположены в одной плоскости, образуя преимущественно транс -конфигурацию относительно связи C-N, которая в значительной мере имеет характер двойной связи, и вращение вокруг этой связи сильно ограничено.
В целом пространственное построение полипептидной цепи можно представить как последовательность плоских структур, образуемых эле-ментами пептидной связи, которые соединены через α-углеродные атомы аминокислотных радикалов. Поскольку связи у α-углеродных атомов не являются двойными, вокруг них возможно вращение расположенных в плоскости пептидной связи группировок.
Если поменять порядок соединения аминокислот в пептиде, то мы получим несколько изомеров. Чаще всего в состав белковых полипепти-дов могут входить 100-400 аминокислотных остатков, которые, соединяясь пептидными связямми в определенном порядке, могут давать огромное число изомерных молекул, способных выполнять разнообразные биологи-ческие функции. В общем виде строение полипептида можно выразить следующей формулой:
В этой формуле аминокислотные остатки соединены связями -СО-NH-, которые и называют пептидными , а R 1 , R 2 , R 3 ...Rn - радикалы амино-кислотных остатков, содержащие различные группировки атомов и обра-зующие боковые ответвления в молекуле полипептида.
На противоположных концах полипептидной цепи имеются свобод-ная аминная и свободная карбоксильная группы, по которым определяют направленность полипептида. Аминокислота на конце полипептидной цепи, имеющая свободную аминогруппу в α-положении, называется N-концевой аминокислотой, а аминокислота на противоположном конце полипептида, имеющая свободную карбоксильную группу, не использованную для образования пептидной связи, - C-концевой аминокислотой. Определение N- и C-концевых аминокислот имеет важное значение для выяснения строения белковой молекулы, так как позволяет установить в ней число полипептидных цепей.
Большинство известных белков содержат в молекуле более одной полипептидной цепи и этим существенно отличаются от обычных пептидов, имеющих одну полипептидную цепь и более низкую молекулярную массу. Однако чёткую границу между пептидами и белками провести довольно трудно; и те, и другие имеют вполне определенную пространственную структуру и выполняют свою биохимическую функ-цию. Основными критериями следует считать степень полимерности молекулы, обеспечи-вающую ей необходимые коллоидные, осмотические, буферные и другие свойства, характерные для белков, а также способность формировать определённую пространственную структуру. Самая низкая степень полимерности известных белков составляет не менее 50 аминокислотных остатков в одной молекуле. Вместе с тем известны некоторые белки, молекулы которых насчитывают свыше тысячи аминокислотных остатков.
Пептиды в различных организмах очень часто синтезируются с по-мощью тех же механизмов, как и белки, и представляют собой важные промежуточные продукты обмена веществ, многие из них выполняют регуляторные функции и относятся к физиологически активным соеди-нениям. Однако известны пептиды, в синтезе которых принимают участие аминокислоты, не входящие в состав белков, они способны образовывать циклические структуры. К таким пептидам относятся антибиотики грами-цидин, циклоспорин, тироцидин и токсины бледной поганки. К пептидам, выполняющим регуляторные функции, относятся многие гормоны человека и животных (окситоцин, вазопрессин, адренокортикотропный гормон и некоторые другие).
Из растительных пептидов наиболее хорошо изучен глютатион, структура которого была выяснена в 1945 г. Ф.Гопкинсом. Молекула глю-татиона включает остатки трёх аминокислот - глутаминовой кислоты, цис-теина и глицина. Глицин и цистеин соединены пептидной связью, а цистеин и глутаминовая кислота - псевдопептидной (или изопептидной) связью, которая образуется при взаимодействии аминогруппы цистеина с карбоксильной группой глутаминовой кислоты, не имеющей в α –положе-нии аминогруппы и в составе белковых полипептидов обычно находящейся в составе бокового радикала.
H 2 N-CH-CH 2 -CH 2 -CO-NH-CH-CO-NH-CH 2 -COOH
глютатион
Высокая биологическая активность глютатиона обусловлена его спо-собностью участвовать в восстановительных реакциях, так как под дей-ствием фермента он может легко отщеплять водород от сульфгидрильной группы (-SH) и переходить в восстановленную форму, образуя димеры, связанные дисульфидными (-S-S-) связями. Схематически образование окисленных димеров глютатиона можно представить следующим образом:
R-SH + HS-R ¾¾® R-S-S-R + фермент - H 2
Глютатион содержится во всех растительных клетках и оказывает влияние на активность многих ферментов, катализирующих превращения белков.
Учитывая высокую биологическую активность многих пептидов, разрабатываются технологии их химического синтеза с целью получения искусственных гормонов, антибиотиков, различных медицинских препа-ратов. Как показывают опыты, путем химического синтеза можно полу-чать полипептидные цепи, содержащие до 100 аминокислотных остатков. Особенно значительные успехи достигнуты в результате сочетания хими-ческого и ферментативного синтезов. Так, например, из природных поли-пептидов путем частичного гидролиза выделяют пептидные фрагменты нужного состава, а затем их соединяют с помощью химических реакций или ферментативного синтеза, получая таким образом биологически активные пептидные препараты.
После того, как была сформулирована и экспериментально подтвер-ждена полипептидная теория строения белков, следующим этапом было определение структурных формул белков, показывающих последова-тельность соединения аминокислотных остатков в белковых молекулах. Впервые это удалось выполнить Ф.Сенгеру в 1954 г., применившему новые подходы в химической идентификации концевых аминокислот у различных пептидов, которые могут быть получены при частичном гидролизе полипептидов изучаемого белка.
Сопоставление аминокислотных последовательностей перекрываю-щихся фрагментов полипептидных цепей гормона поджелудочной железы- инсулина позволило ему с достаточно высокой точностью определить последовательность соединения аминокислотных остатков в молекуле этого белка. Как оказалось, молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей, в одной из которых содержится 30 аминокислотных остатков, в другой - 21. Полипептидные цепи в двух положениях соединены дисуль-фидными связями, которые образуются при взаимодействии сульфгид-рильных групп (-SH) цистеиновых радикалов точно по такому же меха-низму, как у димеров глютатиона. Положение этих цистеиновых остатков в полипептидных цепях инсулина показано на рисунке 5.
Следует учитывать, что нумерацию аминокислотных остатков в по-липептидах принято исчислять в направлении от N-концевой аминокислоты к С-концевой. В короткой цепи инсулина образуется еще одна дисульфидная связь между остатками цистеина в 6-м и 11-м положениях. В длинной цепи N-концевая аминокислота - фенилаланин, С-концевая аминокислота - аланин; в короткой цепи N-концевая аминокислота – глицин, С-концевая - аспарагин. Таким образом, на примере инсулина мы видим, что молекула белка может быть построена не из одного полипептида и разные полипептидные цепи в молекуле белка могут соединяться дисульфидными связями за счёт цистеиновых остатков.
Вслед за инсулином были расшифрованы аминокислотные последо-вательности различных пептидов и белков: окситоцина, вазопрессина, РНК-полимеразы, пепсина, трипсина, лизоцима, цитохромов, гемоглоби-на, папаина и многих других полиаминокислотных соединений. Уже к 1975 г. насчитывалось 600 белков с известными аминокислотными после-довательностями, к 1985 г. - свыше 2500. В настоящее время работа по анализу аминокислотных последовательностей в белках почти полностью автоматизирована и число таких белков уже значительно превышает 20 тысяч.
ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Последовательность соедине-ния аминокислот в полипептидных цепях белковой молекулы принято называть первичной структурой белка . Она определяется последователь-ностью нуклеотидов конкретного участка ДНК, кодирующего данный полипептид и называемого геном.
Замена даже одной аминокислоты в структуре белка может сущест-венно изменить его функцию. Поэтому полипептиды можно рассматривать как "отпечатки" кодирующих их генов и использовать для распознавания генотипов, а также установления между ними генетического родства. Так, например, в короткой полипептидной цепи инсулина человека в положениях 8, 9 и 10 находится последовательность аминокислот Thr-Ser-Ile, в инсулине овцы - Ala-Gly-Val, в инсулине коровы - Ala-Ser-Val, в инсулине собаки - Thr-Ser-Ile, то есть такая же аминокислотная последовательность, как и у человека, что свидетельствует о меньшем филогенетическом различии между этими организмами.
В других исследованиях, связанных с изучением аномальных форм гемоглобина, установлено, что во многих случаях замена в одной из его полипептидных цепей хотя бы одной аминокислоты на другую вызывает нарушение физиологической функции этого белка, которое приводит к серьезным клиническим последствиям для организма человека.
ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Полипептидная цепь, вклю-чающая последовательность аминокислотных остатков, характерную для данного белка, формирует вполне определённую пространственную структуру, которую обычно называют конформацией белковой молекулы.
Пространственное же строение каждого отдельного участка полипептид-ной цепи представляет собой вторичную структуру белка.
Формирование вторичной структуры белковых молекул зависит от физико-химических параметров аминокислотных остатков и их последова-тельности в полипептидной цепи. Как уже было отмечено, атомные груп-пировки пептидной связи располагаются в одной плоскости, а каждая такая плоскостная структура соединяется с соседней через α-углеродные атомы аминокислотных радикалов ковалентными связями, вокруг которых возможно вращение плоскостных структур пептидных связей. Угол пово-рота по каждой из этих связей для каждого аминокислотного остатка вполне определенный, зависящий от строения аминокислотного радикала. Если на конкретном участке молекулы полипептида группируются аминокислотные остатки с близкими углами вращения по указанным связям, то и формируется однотипная вторичная структура.
В стабилизации вторичной структуры полипептида важную роль играют водородные связи, возникающие между группировками пептидных
связей по следующей схеме: ═N-H.....O=C═
Одна из разновидностей вторичной структуры белка - α-спираль, ко-торая была установлена в 1951 г. Л.Полингом и Р.Кори методом рент-геноструктурного анализа. При формировании α-спирали происходит спи-ралевидное закручивание полипептидной цепи, которое стабилизируется за счет образования водородных связей, возникающих в определённом порядке между NH- и CO-группами пептидных связей, находящихся в соседних витках спирали (рис. 6). NH-группа пептидной связи каждого аминокислотного остатка соединяется водородной связью с CO-группой пептидной связи другого аминокислотного остатка, удалённого в полипеп-тидной цепи от первого на 4 аминокислотных остатка, считая по направ-лению цепи назад.
Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, при этом атомы кислорода, соединенные двойной связью с атомами углерода, об-ращены от атомов углерода по спирали вперед, а атомы водорода, сое-диненные с атомами азота, обращены от атомов азота по спирали назад. Боковые радикалы аминокислот также ориентированы вдоль оси спирали по направлению, противоположному направлению полипептидной цепи (направление полипептидной цепи принято считать от N-конца к C-концу). Внутри α-спирали не образуется полости, так как всё пространство пол-ностью занято группировками пептидных связей и α-углеродных атомов. На поверхности α-спирали находятся боковые радикалы аминокислот, которые могут взаимодействовать как между собой, так и с веществами окружающей среды.
Большинство известных белков образуют α-спираль, у которой спи-ралевидное закручивание полипептидной цепи происходит по направлению движения часовой стрелки. Расчеты показывают, что на каждый виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а ход спирали при удлинении цепи на один аминокислотный остаток равен 0,15 нм. Диаметр условной цилиндрической поверхности, на которой находятся α-углеродные атомы аминокислотных радикалов, составляет 1,01 нм (рис . 7).
Спиралевидная конфигурация вторичной структуры является основ-ной для фибриллярных белков, как например, белка волос, шерсти, перьев, рогов - кератина. Однако длина спирализованных участков глобулярных белков небольшая и обычно составляет несколько витков (3-4 оборота α-спирали). Спирализация полипептидной цепи возникает в том случае, когда на определенном её участке группируются остатки α-аланина, лейцина, фенилаланина, тирозина, триптофана, цистеина, метионина, гистидина, аспарагина, глутамина, валина.
Довольно часто в структуре глобулярных белков встречаются изгибы и петли, поворачивающие пептидную цепь на определенный угол. Наиболее характерной формой такой структуры является так называемый b-изгиб, поворачивающий пептидную цепь на 180˚. Обычно b-изгиб включает 3-4 аминокислотных остатка, ключевым из которых является остаток аминокислоты глицина.
Остатки аминокислоты пролина вызывают излом образующейся α-спирали с отклонением от оси спирали на угол 20˚-30˚. Это объясняется тем, что азот пролина, входящий в структуру пептидных группировок, не связан с атомом водорода и поэтому не образует водородной связи.
Есть аминокислоты, которые, исходя из строения радикала, форми-руют другой тип вторичной структуры (серин, изолейцин, треонин, лизин, аргинин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), его называют b-структу-рой. В b-структуре водородные связи образуются между CO- и NH-груп-пами, находящимися в соседних отрезках полипептидной цепи, которые имеют параллельную или противоположную направленность; в соответ-ствии с этим и b-структуры называют параллельными или антипараллель-ными.
В двух соседних цепях, формирующих b-структуру, в образовании водородных связей участвует половина CO- и NH-групп, что связано с че-редованием пространственного расположения аминокислотных радикалов. Боковые радикалы соседних аминокислотных остатков находятся в транс -положении по отношению к пептидной группировке, поэтому в образовании водородных связей с соседней полипептидной цепью участвует каждая вторая пептидная группа. Оставшиеся свободными СО- и NН-группы могут образовывать водородные связи с аналогичными группами еще одной цепи с противоположной стороны, а она со следующей пептидной цепью и т. д. Таким образом, с помощью водородных связей могут быть соединены несколько пептидных цепей (2-10) протяженностью до 8 аминокислотных остатков вдоль каждой из цепей, а у некоторых даже больше.
Отходящие в противоположные стороны от каждой полипептидной цепи радикалы аминокислотных остатков образуют поверхности, имеющие складчатое строение. Складки этих поверхностей определяются
углами связей α-углеродных атомов аминокислотных остатков (рис. 8). Очень часто поверхность b-структуры закручивается под определенным углом, образуя уже супервторичную структуру.
Вторичная структура полипептидов в виде α-спирали и b-структур относится к структурам, которые периодически повторяют в простран-стве свои конфигурации, в связи с чем их называют регулярными структурами. Однако практически в каждой белковой молекуле имеются участки с вполне определенной пространственной конфигурацией, но она не повторяется в других участках. Такие разновидности вторичной структуры белка принято называть нерегулярными структурами .
Каждый белок в зависимости от первичной структуры, определяющей набор и последовательность аминокислотных остатков в его полипептидных цепях, имеет вполне определенные группировки аминокислот на отдельных участках молекулы, которые в зависимости от их физико-химических параметров способны формировать тот или иной тип вторичной структуры. Поэтому в данном белке в соответствии с последовательностью соединения аминокислот на каждом участке реализуется совершенно определённый тип вторичной структуры.
Известно очень мало белков, имеющих на всех участках молекулы одинаковую вторичную структуру. К таким белкам относятся кератин (структурный белок шерсти, перьев, рогов) и коллаген (белок сухожилий), имеющие конфигурацию молекулы в виде α-спирали. Другим примером являются белки шелка (фиброин) и семян канавалии (конканавалин А), образующие преимущественно b-структуры. Большинство же белков формируют смешанный тип вторичной структуры, включающий на конкретных участках молекулы и α-спираль, и b-структуры, и нерегурные структуры. Так, например, в белке миоглобине 79% составляющих его аминокислотных остатков образуют вторичную структуру в виде α-спирали, 16% приходится на участки с нерегулярной структурой и 5% участвуют в образовании b-изгибов. В растительном белке папаине 28% вторичной структуры представлено α-спиралями, 14% - b-структурами, 17% -b-изгибами и 41% - нерегулярными структурами.
Участок антипараллельной b-структуры
Участок параллельной b-структуры
(стрелками показаны направления полипептидных цепей)
На рисунке 9 показана схема возможного образования вторичных структур на одном из участков полипептидной цепи ферментного белка глицеральдегидфосфатдегидрогеназы. Как видно из представленной схемы, последовательности аминокислотных остатков 9 ® 22, 33 ® 45, 78 ® 81, 85 ® 88, 95 ® 98, 100 ® 112, 129 ® 133 образуют спиралевидную вторичную структуру, тогда как аминокислотные последовательности 1®7, 26®32, 56®75, 90®94, 115®120, 126®128, 142® 147 образуют b-структуры, другие аминокислотные остатки участвуют в формировании изгибов и нерегулярных структур.
ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Порядок размещения в пространстве всех атомных группировок полипептидной цепи принято называть третичной структурой белковой молекулы. Впервые понятие о третичной структуре белков было сформулировано в 1958 г. Д.Кендрью на основе рентгеноструктурного анализа пространственной конфигурации белка миоглобина, в результате чего удалось выяснить трёхмерную структуру этого белка.
В процессе дальнейших исследований было установлено, что в построении третичной структуры белка важную роль играют некова-лентные взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков, находящимися на поверхности вторичных структур, а также дисульфидные связи, возникающие в результате взаимодействия сульфгидрильных групп
(-SH) остатков аминокислоты цистеина. При формировании третичной структуры реализуются три типа нековалентных взаимодействий: образова-ние водородных связей, электростатические и гидрофобные взаимодей-ствия.
Водородные связи соединяют между собой функциональные группы
боковых цепей аминокислотных остатков:
R-OH....O=C-R R-O....H-N-R R-C=O....H-N-R
ОH Н Н NН 2 Н
Насыщенность белковой молекулы водородными связями весьма велика – не менее 90% от возможного их образования. Важное значение для стабилизации третичной структуры белков имеют также водородные связи, которые образуют группировки полипептидов с молекулами воды, формирующими жидкую фазу белкового раствора.
Между заряженными группировками аминокислотных остатков возникают силы электростатического взаимодействия:
R-COO‾....H 3 N⁺-R
Формированию компактной пространственной структуры в значи-тельной степени способствуют гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками боковых радикалов аминокислот, входящих в состав полипептидной цепи. В результате гидрофобных взаимодействий происходит отталкивание молекул воды от поверхности гидрофобных группировок и сближение последних, вследствие чего полипептидная цепь свертывается в виде глобулы. При этом большая часть гидрофобных радикалов оказывается внутри глобулы и таким образом защищается от контакта с молекулами воды, а гидрофильные радикалы, наоборот, находятся на поверхности белковой глобулы, они образуют водородные связи с молекулами воды и стабилизируют пространственную структуру белка.
К аминокислотам, имеющим гидрофобные радикалы, относятся глицин, лейцин, изолейцин, валин, аланин, фенилаланин, цистеин, метионин. Гидрофильные радикалы имеют аминокислотные остатки треонина, серина, триптофана, тирозина, аспарагина и аспарагиновой кислоты, глутамина и глутаминовой кислоты, лизина, гистидина.
Образующаяся в результате гидрофобных взаимодействий простран-ственная структура полипептида имеет довольно плотную упаковку, вследствие чего её очень часто называют гидрофобным ядром белковой молекулы. Вокруг ядра формируется оболочка из гидрофильных аминокислотных остатков, в которые могут быть включены и гидрофоб-ные радикалы, образующие гидрофобные выходы на поверхность белко-вой глобулы. За счет формирования таких структур обеспечивается спе-цифичность взаимодействия белковой молекулы с веществами окружающей среды. В состав гидрофильной оболочки, окружающей гидрофобное ядро, входят также молекулы воды, связанные водородными связями с полярными группировками белковой молекулы.
У многих белков важным фактором стабилизации третичной структуры являются дисульфидные связи, которые образуются при взаимодействии остатков цистеина по такому же механизму, как и при формировании димеров глутатиона. Однако образование дисульфидных связей не является обязательным условием стабильности третичной структуры белка, так как известно довольно много белков, формирующих устойчивую простран-ственную структуру только за счет нековалентных взаимодействий.
При формировании третичной структуры белка может возникать не одно, а два и более гидрофобных ядра, включающих достаточно большие отрезки одной и той же полипептидной цепи. Между этими ядрами образуются впадины и полости, имеющие существеннное значение для функционирования белка.
Третичная структура полипептидов складывается из элементов вторичной структуры. Так, в составе ряда белков третичная структура представлена только α-спиралями, которые размещаются в пространстве в виде параллельных участков. Вместе с тем известны белки, построенные в основном из b-структур, свернутых в пространстве под определенным углом. Однако у многих белков пространственная конфигурация молекулы формируется в виде смешанных структур, включающих определенные сочетания α-спиралей и b-структур. При этом довольно часто внутренняя часть молекулы полипептида представлена b-структурами, которые на поверхности окружены α-спиралями.
На рисунке 10 показана третичная структура ферментных белков триозофосфатизомеразы и лизоцима. В молекуле триозофосфатизомеразы в центральной части представлены b-слои, которые окружены α-спиралями. В лизоциме часть третичной структуры (в верхней части рисунка) образована в виде b-структур, а другая часть (в нижней части рисунка) представлена α-спиралями.
Для существующих в природе белков установлено строгое соответствие между первичной и третичной структурами полипептидов. Последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи предопределяет ее пространственную конфигурацию. Этот принцип подтверждается в опытах по конструированию аминокислотных последовательностей полипептидов, способных формировать простран-твенную структуру заданного типа.
ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Многие белки представяют собой сложные молекулы, образующиеся при нековалентном взаимодей-ствии двух или нескольких полипептидов, каждый из которых имеет свою третичную структуру. Такие белки принято называть олигомерами, а образующие их полипептиды - полипептидными субъединицами белка. Способ совместной упаковки и размещения в пространстве полипептидных субъединиц олигомерных белков называют четвертичной структурой белка.
Впервые четвертичную структуру белка установили методом рентгеноструктурного анализа при изучении пространственной конфигура-
ции молекул гемоглобина (Перутц М., 1959). В этих исследованиях было определено, что молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц: двух α-полипептидных цепей по 141 аминокислотному остатку в каждой и двух b-цепей по 146 аминокислотных остатков в каждой. Субъединицы гемоглобина размещаются впространстве симметрично, занимая вершины тетраэдрической структуры (рис. 11).
В молекуле гемоглобина наблюдается более сильное взаимодействие между разными субъединицами и относительно слабее выражена связь между одноименными субъединицами, вследствие чего формируются довольно устойчивые димеры разных субъединиц (ab), из которых уже формируется структура тетрамерной молекулы за счет более слабых взаимодействий. Такой порядок взаимодействия субъединиц гемо-глобина приводит к образованию совершенно однотипных молекул a 2 b, тогда как другие сочетания субъединиц неустойчивы.
Если характер взаимодействия между всеми субъединицами олиго-мерного белка одинаковый, то возможно возникновение молекул с разным набором полипептидов. Так, например, у тетрамера, молекулы которого образуются из двух типов субъединиц А и Б, формируются олигомеры следующего состава: А 4 , А 3 Б, А 2 Б 2 , АБ 3 , АБ 4 . Все они представляют собой структурно близкие белки, выполняющие одну и ту же функцию в орга-низме. Молекулы олигомерного белка, построенные из разных полипеп-тидных субъединиц и выполняющие одну и ту же биологическую функ-цию, принято называть множественными молекулярными формами, или изоформами, данного белка.
Соединение полипептидных субъединиц в олигомерные молекулы происходит за счет нековалентных взаимодействий. Важную роль играют водородные связи, которые образуются между накладывающимися эле- ментами b-структур, входящих в состав белковых субъединиц, а также в результате взаимодействия радикалов аминокислот, имеющих группи- ровки:
CОOH, -OH, =NH, -NH 2 .
При рассмотрении третичной структуры белков было показано, что в поверхностной оболочке, окружающей гидрофобное ядро, также содер-жится много гидрофобных радикалов аминокислот, которые в результате сближения поверхностей третичных структур двух субъединиц вступают в гидрофобные взаимодействия, что вносит существенный вклад в форми-рование четвертичной структуры белков. Причем у некоторых белков гидрофобные взаимодействия являются главными факторами формирова-ния их четвертичной структуры. Так, например, у ряда регуляторных белков имеются характерные последовательности аминоислотных остатков, в которых с определенной частотой встречается гидрофобный радикал лейцина (в одном и том же положении через каждые 2 витка α-спирали). В результате взаимодействия двух субъединиц происходит гидрофобное совмещение их спиралевидных конфигураций и образование двойной спирали, соединяющей данные субъединицы в одну молекулу. Такой тип гидрофобного взаимодействия между полипептидами белка получил название "лейциновых петель".
Важными факторами формирования четвертичной структуры белков
являются электростатические взаимодействия между заряженными груп-пировками соседних субъединиц, представленными радикалами дикарбо-новых (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и диаминомонокарбоно-вых (лизин, аргинин) кислот. Таким образом, в результате совместного действия всех указанных факторов образуется достаточно устойчивая простран-ственная структура олигомерной молекулы белка.
Наиболее часто четвертичная структура белков представлена диме-рами, тримерами, тетрамерами и гексамерами, хотя и известны белки, содержащие в молекуле 8, 12, 24 и более субъединиц. Биологическая роль четвертичной структуры белков заключается в том, что путем соединения сравнительно небольших структурных элементов оказывается возможным формирование более сложных структур, обеспечивающих белку большую лабильность, способность выполнять конкретную биологическую функ-цию, возможность совмещения в одной пространственной структуре нес-колько функционально активных центров.
КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ
В клетках живого организма при определенной температуре, pH и концентрации физиологической среды белковые молекулы образуют тер-модинамически наиболее устойчивую в этих условиях пространственную структуру, обеспечивающую выполнение белком его биологической функ-ции. Такую пространственную структуру называют нативной конформа -цией белковой молекулы.
При изменении физиологических условий молекулы белков могут обратимо изменять свою нативную конформацию, при этом изменяется и их биологическая активность. Обратимые изменения нативной конформации белков (перестройка их пространственной структуры) имеют важное значение для регуляции ферментативной активности, транспорта ионов и метаболитов через мембраны, регулирования проницаемости клеточных мембран.
Как указывалось ранее, образование пространственной структуры белков определяется генетически детерминированной последователь-ностью соединения аминокислотных остатков в полипептидных цепях. Следовательно, нативная конформация белка зависит от его первичной структуры. Но вместе с тем для формирования нативной конформации белка требуется и весь набор факторов внутренней физиологической среды данной клетки (определенный pH, присутствие определенных ионов и других кофакторов).
Построение пространственной структуры белковой молекулы проис-ходит в процессе ее синтеза по мере удлинения полипептидной цепи, что, вероятно, и предопределяет последовательность взаимодействия группиро-вок при формировании вторичной и третичной структуры синтезируемого полипептида. В специальных опытах показано, что в белковой молекуле имеются аминокислотные остатки, которые являются активными инициа-торами нековалентных взаимодействий, облегчающих формирование про-межуточных структур в процессе перехода белка к нативной конфор-мации.
В правильном построении пространственной структуры белковых молекул участвуют специализированные белки - шапероны . Особенно много таких белков синтезируется в стрессовых условиях. Они образуют комплексы с полипептидными цепями, предотвращая их агрегацию в процессе формирования вторичной и третичной структуры. Один из участков белка-шаперона нековалентно связывается с развернутой полипептидной цепью, а другой присоединяет АТФ. При гидролизе АТФ шаперон переходит в другое конформационное состояние и его комплекс с формирующим пространственную структуру полипептидом распадается.
Известны и другие белки - катализаторы формирования простран-ственной структуры полипептидов. Так, в клетках высших организмов обнаружен фермент протеиндисульфидизомераза , катализирующий пра-вильное образование дисульфидных связей при формировании третичной структуры полипептидов. Он прелставляет собой димерный белок, содер-жащий в активном центре остатки аминокислоты цистеина.
В построении нативной конформации белка лимитирующей стадией может быть переход группировок пептидных связей из цис - в транс -конфигурацию. Особенно медленно проходит цис -транс -изомеризация группировок пептидных связей, образованных иминогруппой пролина. Для ускорения таких превращений в клетках организмов имеется специальный фермент пролил -цис -транс -изомераза .
Характерные особенности пространственной конфигурации гомоло-гичных белковых молекул, выполняющих одну и ту же функцию у разных организмов, определяются наличием одинаковых аминокислотных остатков в ключевых положениях, сильно влияющих на конформацию молекулы, тогда как в других положениях могут находиться разные аминокислотные остатки. Но они слабее влияют на конформацию молекулы.
Весьма характерное строение имеют мембранные белки, которые, как правило, содержат трансмембранные фрагменты в виде α-спиралей; от них отходят внемембранные полипептиды, обеспечивающие связь с окружающей физиологической средой. Трансмембранные полипептидные фрагменты могут быть образованы и в виде b-структур. Основные функции мембранных белков - транспорт молекул и ионов через мембрану, межклеточные взаимодействия, образование ионных каналов, передача внешних сигналов в клетку и др.
Под влиянием сильно действующих факторов (высокая температура, экстремальные значения pH, присутствие катионов тяжелых металлов, применение органических растворителей и детергентов) может происхо-дить разупорядочивание системы водородных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий в молекулах белков, что вызывает су-щественное изменение их вторичной и третичной структуры, приводящее к утрате нативной конформации. При этом белок уже не может выполнять свойственную ему биологическую функцию. Необратимое изменение пространственной структуры белковых молекул, которое сопровождается потерей их нативных свойств, называют денатурацией белков.
Наглядным примером денатурации является тепловая денатурация белков. При повышении температуры возрастает амплитуда колебаний атомов, что приводит к разрыву водородных связей и ослаблению элек-тростатических взаимодействий в молекулах белков, в результате чего происходит необратимое свертывание и осаждение белков из раствора. Большинство белков подвергаются денатурации при температуре 70–80˚C. Однако некоторые белки отличаются довольно высокой термостабиль-ностью. Так, например, ферменты термофильных бактерий сохраняют каталитическую активность при температуре 80˚C.
Известны вещества, стабилизирующие нативную структуру белковых молекул, и их присутствие в растворе повышает температуру дена-турации белков. К таким веществам относятся водорастворимые соли, содержащие катионы кальция (Ca 2+).
Денатурация белков может происходить в сильно кислой или сильно щелочной среде. В сильно кислой среде практически полностью подавляется диссоциация карбоксильных групп аминокислотных радикалов дикарбо-новых кислот и заряд белковой молекулы определяется положительными зарядами радикалов диаминомонокарбоновых кислот, взаимное отталкива-ние которых вызывает разрыв водородных связей и ослабление электростатических взаимодействий, стабилизирующих третичную структу-ру молекулы. В результате белки утрачивают нативную конформацию и подвергаются коагуляции (осаждению).
В сильно щелочной среде (pH>11) утрачивается положительный заряд радикалов диаминомонокарбоновых кислот и заряд белковой моле-кулы определяется отрицательными зарядами карбоксильных групп ди-карбоновых аминокислот, взаимное отталкивание которых вызывает раз-рыв водородных связей и ослабление электростатических взаимодействий в молекуле, вследствие чего происходит существенное изменение про-странственной структуры и денатурация белка.
Сильным денатурирующим действием обладают катионы тяжелых металлов, трихлоруксусная, хлорная, вольфрамовая и некоторые другие кислоты, которые образуют с белками нерастворимые соли.
Некоторые органические растворители (спирт, ацетон, формамид) способны взаимодействовать с гидрофобными радикалами аминокислотных остатков белков и с молекулами воды, вызывая ослабление гидрофобных взаимодействий и разрыв водородных связей, стабилизирующих третичную структуру полипептидов, в результате чего происходит денатурация белковых молекул.
Установлено, что денатурация белков в растворе или во влажном состоянии происходит значительно легче и быстрее, чем в высушенном состоянии, и это используется при разработке технологий сушки биоло-гического материала и различных растительных продуктов (зерна, макарон, овощей и фруктов). Сведения о денатурации белков также учитываются при выпечке хлеба и кондитерских изделий, приготовлении консервов и других пищевых продуктов.
Это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Аминокислоты представляют собой низкомолекулярные органические соединения, содержащие карбоксильную (-СООН) и аминную (-NH 2) группы, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. К атому углерода присоединяется боковая цепь - какой-либо радикал, придающий каждой аминокислоте определенные свойства.
У большей части аминокислот имеется одна карбоксильная группа и одна аминогруппа; эти аминокислоты называются нейтральными . Существуют, однако, и основные аминокислоты - с более чем одной аминогруппой, а также кислые аминокислоты - с более чем одной карбоксильной группой.
Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, однако только 20 из них входят в состав белков. Это так называемые основные или протеиногенные аминокислоты.
В зависимости от радикала основные аминокислоты делят на 3 группы:
- Неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);
- Полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);
- Заряженные (аргинин, гистидин, лизин - положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислота - отрицательно).
Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными и гидрофильными и придают белкам соответствующие свойства.
У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд протеиногенных аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин; аргинин и гистидин - незаменимые для детей.
В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа (-СООН) способна отдавать протон, функционируя как кислота, а аминная (-NH2) принимать протон, проявляя таким образом свойства основания.
Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты. Образующаяся при этом молекула представляет собой дипептид , а связь -СО-NH- называется пептидной связью.
На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом - свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себя другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется много аминокислот (более 10), то образуется полипептид .
Пептиды играют важную роль в организме. Многие алигопептиды являются гормонами. Таковы окситоцин, вазопрессин, тиролиберин, тиреотропин и др. К олигопептидам относится также брадикидин (пептид боли) и некоторые опиаты («естественные наркотики» человека), выполняющие функцию обезболивания. Принятие наркотиков разрушает опиатную систему организма, поэтому наркоман без дозы наркотиков испытывает 1 сильную боль - «ломку», которая в норме снимается опиатами.
К олигопептидам относятся некоторые антибиотики (например, грамицидин S).
Многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон и др.), антибиотики (например, грамицидин А), токсины (например, дифтерийный токсин) являются полипептидами.
Белки представляют собой полипептиды, в молекулу которых входит от 50 до нескольких тысяч аминокислот с молекулярной массой свыше 10 000.
Каждому белку свойственна в определенной среде своя особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков.
Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептид ной цепи. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т.е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной единственной аминокислоты в составе молекул белка или изменение их расположения обычно влечет за собой изменение функции белка. Так как в состав белков входит 20 видов аминокислот, число вариантов их комбинаций в пол и пептидной цепи поистине безгранично, что обеспечивает огромное количество видов белков в живых клетках.
В живых клетках молекулы белков или отдельные их участки представляют собой не вытянутую цепь, а скручены в спираль, напоминающую растянутую пружину (это так называемая α-спираль) или сложены в складчатый слой (β-слой). Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей между -СО- и -NН 2 -группами двух пептидных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация) или между двумя полипептидными цепями (складчатые слои).
Полностью α-спиральную конфигурацию имеет белок кератин. Это структурный белок волос, шерсти, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов. Спиральная вторичная структура характерна, помимо кератина, для таких фибриллярных (нитевидных) белков, как миозин, фибриноген, коллаген.
У большинства белков спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи складываются в трехмерное образование шаровидной формы - глобулу (характерна для глобулярных белков). Глобула определенной конфигурации является третичной структурой белка. Третичная структура стабилизируется ионными, водородными связями, ковалентными дисульфидными связями (которые образуются между атомами серы, входящими в состав цистеина), а также гидрофобными взаимодействиями. Наиболее важными в возникновении третичной структуры являются гидрофобные взаимодействия; белок при этом свертывается таким образом, что его гидрофобные боковые цепи скрыты внутри молекулы, т. е. защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи, наоборот, выставлены наружу.
Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей - возникает четвертичная структура . Такая структура имеется, например, у глобулярного белка гемоглобина. Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных субъединиц (протомеров), находящихся в третичной структуре, и небелковой части - гема. Только в такой структуру гемоглобин способен выполнять свою транспортную функцию.
Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение третичной и четвертичной структуры белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения нативной (естественной) структуры белка называется денатурацией . При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации иногда обратим, т. е. возвращение нормальных условий среды может сопровождаться самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией. Отсюда следует, что все особенности строения и функционирования макромолекулы белка определяются его первичной структурой.
По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простым относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложным - содержащие белковую часть и небелковую (простатическую) - ионы металлов, углеводы, липиды и др. Простыми белками являются сывороточный альбумин крови, иммуноглобулин (антитела), фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложными белками являются все протеолипиды и гликопротеиды, гемоглобин, большинство ферментов и т.д.
Функции белков
Структурная.
Белки входят в состав клеточных мембран и органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия, волосы, ногти, когти у высших животных состоят преимущественно из белков.
Каталитическая (ферментативная).
Белки-ферменты катализируют протекание всех химических реакций в организме. Они обеспечивают расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксацию углерода при фотосинтезе, реакции матричного синтеза и т. п.
Транспортная.
Белки способны присоединять и переносить различные вещества. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы металлов и гормоны. Гемоглобин переносит кислород и углекислый газ.
Молекулы белков, входящие в состав плазматической мембраны, принимают участие в транспорте веществ в клетку и из нее.
Защитная.
Ее выполняют иммуноглобулины (антитела) крови, обеспечивающие иммунную защиту организма. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови и предотвращают кровотечение.
Сократительная.
Обеспечивается движением относительно друг друга нитей белков актина и миозина в мышцах и внутри клеток. Скольжение микротрубочек, построенных из белка тубулина, объясняется движение ресничек и жгутиков.
Регуляторная.
Многие гормоны являются олигопептидами или белками, например: инсулин, глюкагон, аденокортикотропный гормон и др.
Рецепторная.
Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, способны изменить свою структуру на действие внешней среды. Так происходят прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку. Примером может служить фитохром - светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию растений, и опсин - составная часть родопсина , пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.
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?
- 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.
- 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.
- Гормоны – особые вещества, регулирующие процессы обмена веществ – имеют белковую природу. Например, гормон инсулин загоняет сахар из плазмы крови в клетки
- Протеины защищают организма от чужеродных агентов. Гамма — глобулины обезвреживают микробов, интерфероны подавляют размножение вирусов. Фибрин останавливает кровотечения.
- Протеины обеспечивают сокращение двигательной мускулатуры и других сокращающихся тканей. Актин и миозин входят в состав мышц тела, тропонин, тропомиозин – мышц сердца.
- 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.
- Протеины являются ферментами – катализаторами, благодаря которым возможно протекание биохимических реакций при низких температурах (37 0 С).
- Протеины – регуляторы включают и выключают гены клетки, тем самым подавляя либо активируя биохимические процессы.
- 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.
- 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.
Структура белковых молекул. Связь свойств, функций и активности белков с их структурной организацией (специфичность, видовая принадлежность, эффект узнавания, динамичность, эффект кооперативного взаимодействия).
Белки - это высокомолекулярные азотсодержащие вещества, состоящие из остатков аминокислот, связанных между собой пептидными связями. Белки иначе называют протеинами;
Простые белки построены из аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно только на аминокислоты. Сложные белки - это двухкомпонентные белки, которые состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. При гидролизе сложных белков, помимо свободных аминокислот, освобождаются небелковая часть или продукты ее распада. Простые белки в свою очередь делятся на основании некоторых условно выбранных критериев на ряд подгрупп: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины и др.
Классификация сложных белков основана на химической природе входящего в их состав небелкового компонента. В соответствии с этим различают: фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту), хромопротеины (в состав их входят пигменты), нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты), гликопротеины (содержат углеводы), липопротеины (содержат липиды) и металлопротеины (содержат металлы).
3. Структура белка.
Последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы получила название первичной структуры белка . Первичная структура белка, помимо большого числа пептидных связей, обычно содержит также небольшое число дисульфидных (-S-S-) связей. Пространственная конфигурация полипептидной цепи, точнее тип полипептидной спирали, определяет вторичную структуру белка , она представлена в основном α-спиралью, которая фиксирована водородными связями. третичная структура -полипептидная цепь, свернутая целиком или частично в спираль, расположена или упакована в пространстве (в глобуле). Известная стабильность третичной структуры белка обеспечивается за счет водородных связей, межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, электростатического взаимодействия заряженных групп и т д.
Четвертичная структура белка - структура, состоящая из определенного числа полипептидных цепей, занимающих строго фиксированное положение относительно друг друга.
Классический пример белка, имеющего четвертичную структуру, являеться гемоглобин.
Физические свойства белков: высокая вязкость растворов,
незначительная диффузия, способность к набуханию в больших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление и высокое онкотическое давление, способность к поглощению Уф-лучей при 280 нм, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH2-и СООН-групп и характеризуются соответственно всеми св-вами кислот и оснований. Обладают явно выраженными гидрофильными свойствами. Их растворы обладают очень низким осмотическим давлением, высокой вязкостью и незначительной способностью к диффузии. Белки способны к набуханию в очень больших пределах. С коллоидным состоянием белков связано явление светорассеяния, лежащее в основе количественного определения белков методом нефелометрии.
Белки способны адсорбировать на своей поверхности низкомолекулярные органические соединения и неорганические ионы. Это свойство предопределяет транспортные функции отдельных белков.
Химические свойства белков разнообразны, поскольку боковые радикалы аминокислотных остатков содержат различные функциональные группы (-NH2, -СООН, -ОН, -SН и др.). Характерной для белков реакцией является гидролиз пептидных связей. Благодаря наличию и амино-, и карбоксильных групп белки обладают амфотерными свойствами.
Денатурация белка - разрушение связей, стабилизирующих четвертичную, третичную и вторичную структуры, приводящее к дезориентации конфигурации белковой молекулы и сопровождаемое потерей нативных св-в.
Различают физические (температура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучения) и химические (тяжелые металлы, кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды) факторы, вызывающие денатурацию.
Обратным процессом является ренатурация , то есть восстановление физико-химических и биологических свойств белка. Ренатурация невозможна если затронута первичная структура.
Большинство белков денатурируют при нагревании их раствором выше 50-60 о С. Внешние проявления денатурации сводятся к потере растворимости, особенно в изоэлектрической точке, повышению вязкости белковых растворов, увеличению количества свободных функциональных SH-rpyпп и изменению характера рассеивания рентгеновских лучей, развертываются глобулы нативных белковых молекул и образуются случайные и беспорядочные структуры.
Сократительная функция. актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Структурная функция. фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже,эластин в сосудистой стенке и др.
Гормональная функция. Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.
Питательная (резервная) функция. резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию.
Биологические функции белков. Многообразие белков по структурной организации и биологической функции. Полиморфизм. Различия белкового состава органов и тканей. Изменения состава в онтогенезе и при заболеваниях.
-По степени сложности строения белки делят на простые и сложные. Простые или однокомпонентные белки состоят только из белковой части и при гидролизе дают аминокислоты. К сложным или двухкомпонентным относят белки, в состав которых входит протеин и добавочная группа небелковой природы, называемая простетической. ( могут выступать липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты); соответственно сложные белки называют липопротеинами, гликопротеинами, нук-леопротеинами.
- По форме белковой молекулы белки разделяют на две группы: фибриллярные (волокнистые) и глобулярные (корпускулярные). Фибриллярные белки характеризуются высоким отношением их длины к диаметру (несколько десятков единиц). Их молекулы нитевидны и обычно собраны в пучки, которые образуют волокна. (являются главными компонентами наружного слоя кожи, образуя защитные покровы тела человека). Они также участвуют в образовании соединительной ткани, включая хрящи и сухожилия.
Подавляющее количество природных белков относится к глобулярным. Для глобулярных белков характерно небольшое отношение длины к диаметру молекулы (несколько единиц). Имея более сложную конформацию, глобулярные белки выполняют и более разнообразные.
-По отношению к условно выбранным растворителям выделяют альбумины и глобулины . Альбумины очень хорошо растворяются в воде и в концентрированных солевых растворах.Глобулины не растворяются в воде и в растворах солей умеренной концентрации..
--Функциональная классификация белков наиболее удовлетворительная, поскольку в ее основу положен не случайный признак а выполняемая функция. Кроме того, можно выделить сходство структур, свойств и функциональной активности входящих в какой-либо класс конкретных белков.
Каталитически активные белки называют ферментами. Они осуществляют катализ практически всех химических превращений в клетке. Подробно эта группа белков будет рассмотрена в главе 4.
Гормоны регулируют обмен веществ внутри клеток и интегрируют обмен в различных клетках организма в целом.
Рецепторы избирательно связывают различные регуляторы (гормоны, медиаторы) на поверхности клеточных мембран.
Транспортные белки осуществляют связывание и транспорт веществ между тканями и через мембраны клетки.
Структурные белки . Прежде всего к этой группе относят белки, участвующие в построении различных биологических мембран.
Белки - ингибиторы ферментов составляют многочисленную группу эндогенных ингибиторов. Они осуществляют регуляцию активности ферментов.
Сократительные белки обеспечивают механический процесс сокращения с использованием химической энергии.
Токсичные белки - некоторые белки и пептиды, выделяемые организмами (змеями, пчелами, микроорганизмами), являющиеся ядовитыми для других живых организмов.
Защитные белки. антитела - вещества белковой природы, вырабатываемые животным организмом в ответ на введение антигена. Антитела, взаимодействуя с антигенами, дезактивируют их и тем самым защищают организм от воздействия чужеродных соединений, вирусов, бактерий и т. д.
Белковый состав зависит от физиологич. Активности, состава пищи и режима питания, биоритмов. В процессе развития состав меняется значительно (от зиготы до формирования дифференцированных органов со специализированными ф-ми). Например, эритроциты содержат гемоглобин, обеспечивающий транспорт кислорода кровью, мыш-е кл-ки содержат сократительные белки актин и миозин, в сетчатке-белок родопсин и т д. При болезнях белковый состав меняется-протеинопатии. Наследственные протеинопатии развиваются в результате повреждений в генетическом аппарат. Какой-либо белок не синтезируется вовсе или синтезируется, но его первичная структура изменена (серповидно-клеточная анемия). Любая болезнь сопровождается изменением белкового состава т.е. развивается приобретённая протеинопатия. При этом первичная структура белков не нарушается, а происходит количественное изменение белков, особенно в тех органах и тканях, в которых развивается патологический процесс. Например, при панкреатитах снижается выработка ферментов, необходимых для переваривания пищевых веществ в ЖКТ.
Факторы повреждения структуры и функции белков, роль повреждений в патогенезе заболеваний. Протеинопатии
Белковый состав организма здорового взрослого человека относительно постоянен, хотя возможны изменения количества отдельных белков в органах и тканях. При различных заболеваниях происходит изменение белкового состава тканей. Эти изменения называются протеинопатиями. Различают наследственные и приобретённые протеинопатии. Наследственные протеинопатии развиваются в результате повреждений в генетическом аппарате данного индивидуума. Какой-либо белок не синтезируется вовсе или синтезируется, но его первичная структура изменена. Любая болезнь сопровождается изменением белкового состава организма, т.е. развивается приобретённая протеинопатия. При этом первичная структура белков не нарушается, а обычно происходит количественное изменение белков, особенно в тех органах и тканях, в которых развивается патологический процесс. Например, при панкреатитах снижается выработка ферментов, необходимых для переваривания пищевых веществ в ЖКТ.
В некоторых случаях приобретённые протеинопатии развиваются в результате изменения условий, в которых функционируют белки. Так, при изменении рН среды в щелочную сторону (алкалозы различной природы) изменяется кон-формация гемоглобина, увеличивается его сродство к О 2 и снижается доставка О 2 тканям (гипоксия тканей).
Иногда в результате болезни повышается уровень метаболитов в клетках и сыворотке крови, что приводит к модификации некоторых белков и нарушению их функции
Кроме того, из клеток повреждённого органа в кровь могут выходить белки, которые в норме определяются там лишь в следовых количествах. При различных заболеваниях часто используют биохимические исследования белкового состава крови для уточнения клинического диагноза.
4. Первичная структура белков. Зависимость свойств и функций белков от их первичной структуры. Изменения первичной структуры, протеинопатии.
