Биологические функции белков

Лекция 3

ХИМИЯ БЕЛКОВ

Структурная организация белков

Классификация белков и их функции в биологических системах

Биологические функции белков

Физико-химические свойства белков

Структурная организация белков

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, состоящие из остатков аминокислот (свыше 100), соединенных между собой пептидной связью.

Для воспроизводства всех свойств и функций белковой молекулы необходимо знать ее структуру. Выделяют 4 уровня структурной организации белков:

Первичная структура белков – специфический набор и последовательность аминокислот в белковой цепочке без учета пространственного расположения цепи.

Показано, что из 2-х аминокислот можно получить 2 разных пептида, а из 20-ти аминокислот – 2·10¹⁸.

Первичная структура белков генетически определена. Нарушение даже одной аминокислоты вызывает глубокие расстройства.

Искусственный синтез белков затруднен в виду нерасшифровки и невоспроизводимости первичной структуры. В настоящее время разработана стратегия только для искусственного синтеза простых белков и пептидов. Она основана на использовании методов защиты функциональных групп на соответствующих этапах синтеза, который включает следующие стадии:

- защита аминогруппы N-концевой аминокислоты;

- защита карбоксильной группы С-концевой аминокислоты;

- конденсация модифицированных аминокислот;

- снятие защитных групп путем гидролиза полученного продукта.

Такой синтез длителен, трудоемок и дает низкий выход конечного продукта. Этих недостатков лишен используемый в настоящее время твердофазный синтез пептидов с помощью приборов – автоматических синтезаторов.

Вторичная структура – это способ скручивания цепи в пространстве Различают конформацию: α-спираль и складчатая β-структура (называется складчатый лист или слой).

Вторичная структура белков – это упорядоченное пространственное расположение первичной структуры за счет водородных связей между группами –NH- и –СО-. Для вторичной структуры характерны три типа пептидных цепей:

1) α-спираль (правозакрученная, по часовой стрелке):

2) β-структура (складчатая)

3) беспорядочный клубок

Например, в инсулине 52% α-спиральных участков и 6% β-структуры.

Третичная структура белков – это трехмерная конфигурация закрученной α-спирали или β-структуры в пространстве, приводящая к сгибанию полипептидных цепей и спиралей в агрегаты разнообразной формы. Образуется за счет дисульфидных мостиков -S-S- между цистеиновыми остатками, а также водородных связей, гидрофобных и ионных взаимодействий между разными функциональными группами остатками аминокислот.

Четвертичная структура – агрегаты нескольких белковых макромолекул с небелковыми фрагментами, объединенные в одну субъединицу. Эта структура характерна для сложных белков.

Четвертичная структура белков – это способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей – протомеров, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной и третичной структурой. Белки, состоящие более чем из одной полипептидной цепи, называются олигомерными. Протомеры соединены между собой нековалентными связями. Они легко распадаются даже при незначительных воздействиях (подкисление, подщелачивание, охлаждение и т.д.).

Классификация белков и их функции

В биологических системах

До сих пор единой классификации белков нет. Это связано с тем, что строение большинства молекул белков неизвестно, поэтому на современном этапе белки классифицируют следующим образом.

1) по химическому составу

- простые

- сложные

Простые белки (протеины) при гидролизе дают только аминокислоты.

Сложные белки (протеиды) - кроме аминокислот содержат простетические (небелковые) группы (от греч. p r o s t h e t o – присоединяю).

В зависимости от типа простетической группы выделяют следующие сложные белки:

1) хромопротеины (от греч. с r o m a – краска) – содержат окрашенный небелковый компонент (хлорофилл, гемоглобин);

2) липопротеины – содержат нейтральные жиры, свободные жирные кислоты, холестерин, фосфолипиды;

3) нуклеопротеины – содержат нуклеиновые кислоты;

4) фосфопротеины – содержат фосфорную кислоту (казеиноген молока);

5) гликопротеины – содержат различные углеводы (интерфероны);

6) металлопротеины – содержат ионы одного или нескольких металлов (витамин В₁₂ – Со²⁺);

2)в зависимости от конформации

Фибриллярные белки (от лат. fibrilla – волокно) имеют вытянутые, нитевидные молекулы – отношение длинной и короткой осей до 200 и более. Они не растворимы в воде, не перевариваются в пищеварительном тракте большинства животных и человека. Выполняют в основном структурные функции (коллаген и эластин – белки соединительной ткани, кератин волос).

Глобулярные белки (от лат. globules – шарик) имеют отношение длинной и короткой осей не более 50. Они выполняют динамические функции (альбумины, глобулины, ферменты, некоторые гормоны).

3) по растворимости

- альбумины – легко растворимы в воде;

- глобулины – растворимы в растворах солей;

- проламины – растворимы в 60-80º этиловом спирте. Содержат много пролина, глутаминовой кислоты, но в них отсутствует лизин. Имеют низкую пищевую ценность. Представители: в зернах пшеницы и ржи (глиадин), ячменя (гордеин), кукурузы (зеин).

- глютелины – растворимы в слабых (0,2%-ных) растворах щелочей разбавленных кислотах; они не растворимы в спиртах, водных растворах солей и воде. Это белки злаков. Имеют достаточно высокую биологическую ценность, так как содержат лизин. Представитель – основной белок зерно риса – оризенин.

- протеиноиды или белковоподобные вещества – растворимы в крепких минеральных кислотах. Это белки опорных тканей. Могут быть растительными (шелуха злаковых) и животными. Животные протеиноиды входят в состав костей, хрящей, сухожилий, волос, рогов, копыт, ногтей и т.д. К ним относят коллаген – белок соединительной ткани; эластин – белок сухожилий и связок; кератины – белки волос, рогов, ногтей, эпидермиса, шерсти; фиброин – вырабатывается в прядильных железах насекомых.

4) в зависимости от биологических функций

· транспортные белки

· каталитически активные белки

· структурные белки

· защитные белки

· сократительные белки

· белки-гормоны

· белки-регуляторы активности генома

· токсические белки

· мембранные белки

· рецепторные белки

· белки-ингибиторы ферментов

· белки вирусных оболочек и др.

Белки-регуляторы активности генома – протамины и гистоны. Имеют щелочной характер из-за наличия большого количества аргинина и лизина (до 80%). Молекулярная масса протаминов – 12000. В них отсутствуют триптофан и серосодержащие аминокислоты; в большинстве – тирозин и фенилаланин. В клетке они находятся в тесной связи с ДНК – они придают ей стабильную, компактную форму, обеспечивают транспорт. Протамины и гистоны стимулируют активность вируса полиомиелита. Высокие концентрации протаминов подавляют рост некоторых опухолей мышей. В зависимости от источника получения протамины носят разные названия: сальмин – из молок семги, скумбрин – из скумбрии, клупеин – из сельди.

Щелочный характер гистонов менее выражен – содержание диаминокислот – 20-30%. Триптофан отсутствует или содержится в незначительном количестве. Много гистонов, кроме сперматозоидов и икры, содержится в зобной железе и белках эритроцитов.

По соотношению лизина и аргинина выделяют пять фракций гистонов:

Н₁ – очень богатая лизином;

Н_2А – умеренно богатая лизином;

Н_2В – умеренно богатая аргинином;

Н₄ – богатая глицином и аргинином.

Характеристика отдельных фракций гистонов

Показано, что четыре последние фракции гистонов способны образовывать гидрофобные ядра (korn), а Н₁ – цепочку, которая соединяет эти ядра. На ядра намотана ДНК, фосфаты которой взаимодействуют с заряженной группой гистонов, образуя нуклеосомы. Так, осуществляется регуляция активности генома. Остальная ДНК, так называемый линкер или межнуклеосомная ДНК, соединяет соседние нуклеосомы и обеспечивает гибкость хроматиновой нити.

Функции гистонов:

· комплексирование молекул ДНК друг с другом;

· усиление закручивания и стабилизации ДНК;

· стабилизация РНК;

· нейтрализация отрицательных зарядов фосфатных групп ДНК;

· угнетение или стимуляция синтеза ДНК;

· торможение синтеза РНК;

· освобождение РНК с ДНК.

Транспортные белки

Альбумины(лат. albumen – белок):

· альбумин сыворотки крови;

· альбумин молока –лактальбумин;

· альбумин мышц – миоальбумин;

· лейкозин пшеницы, ржи и ячменя;

· легуменин гречихи и сои;

· рицин касторовых бобов.

Молекулярная масса альбуминов

· человека и крысы – 65000,

· коровы – 67000,

· лошади – 70000.

Функции альбуминов:

· поддержание онкотического давления и рН крови;

· транспорт жирных кислот, стероидов, металлов, витаминов, лекарств, гормонов. Так, сывороточный альбумин переносит до 50% кальция;

· реактивные группы лизина, тиоловые и имидазольные группы связывают токсины, которые образовались в организме и поступили извне;

· условный резерв белка в организме.

Глобулины:

· церулоплазмин (М.м. – 160 000) – переносит ионы меди из печени в клеточные органеллы;

· трансферин (М.м. – 90 000) – переносит ионы трехвалентного железа;

· гемоглобин (М.м. – 66 800) – транспортирует кислород, СО₂ и Н⁺;

· β-липопротеин (М.м. – 3 200 000) – переносит липиды, жирорастворимые витамины и гормоны.

Защитные белки

Глобулины – вырабатываются в ответ на введение чужеродного белка (антигена) и называются антителами. Белки, образующиеся в организме в ответ на антигенное воздействие, называются иммуноглобулинами – Ig. Выделено 5 видов Ig: IgG; IgM; IgA; IgD и IgE. Они состоят из двух типов цепей – легких и тяжелых. Состав легких (208-220 аминокислот) цепей у всех иммуноглобулинов один и тот же; они различаются составом тяжелых цепей (примерно 440 аминокислот). Со стороны Ν-конца в легких и тяжелых цепях расположены зоны с различной последовательностью аминокислот. Эта часть ответственна за взаимодействие иммуноглобулинов с антигенами.

Так, при остром воспалении (пневмония, туберкулез, острый инфаркт миокарда) в крови уменьшается содержание альбуминов и наблюдается увеличение α₁, α₂ и γ-глобулинов. Заболевания печени (гепатит, механическая желтуха, токсические поражения), лейкоз сопровождаются уменьшением в крови концентрации альбуминов и резким повышении уровня β-глобулинов.

Токсические белки – их первичная структура расшифрована у ядов лесной, африканской, египетской, королевской кобр, черной древесной змеи, морской змеи и др. Токсины змей и скорпиона имеют 60 остатков аминокислот, токсины из пшеничной муки – 45. Всего выделено 36 токсинов. Например, энтеротоксин В из стафилококка, дифтерийный, холерный, столбнячный токсины, токсин ботулизма. Так, токсины ядов змей являются нейротоксинами. Они блокируют передачу нервных импульсов.

Сократительные белки – обеспечивают движение протоплазмы, хромосом в процессе деления клеток, сокращение мышечных волокон и образование суперспирали ДНК. Многие обладают ферментативной (АТФазной) активностью. Наиболее изучены такие сократительные белки мышц – миозин и актин.

Миозин – это волокнистый белок с молекулярной массой 500000 длинной 160 нм, состоит из шести полипептидных цепей – двух тяжелых и четырех легких. Головка миозина глобулярна, она катализирует расщепление АТФ на АДФ и неорганический фосфат. Многочисленные молекулы миозина уложены в виде пучка и образуют толстые нити скелетной мышцы.

Актин – глобулярный белок, его молекулярная масса – 46000-58000. Тонкие нити актина тесно взаимодействуют с толстыми нитями миозина. В присутствие ионов кальция и АТФ, под влиянием нервного импульса тонкие нити скользят вдоль толстых – это обеспечивает сокращение мышцы.

Рецепторные белки – сведения о них получены в последнее время, в связи с исследованием механизма действия гормонов и функционирования органов чувств. Они очень лабильны, высокомолекулярны (М.м. – 240000), имеют волокнистое строение и представлены в виде димеров, очень быстро насыщаются гормонами. На одну клетку-мишень может приходиться до 30000 белков-рецепторов.

Так, в сетчатке глаза опсин соединяется с ретиналем (витамин А) и образуется белок родопсин. При этом изменяется конформация родопсина, она преобразуется в нервные импульсы и осуществляется акт зрения.

Белки вирусных оболочек – имеют очень большую молекулярную массу, защищают нуклеиновые кислоты вирусов от повреждений, участвуют в созревании вирусных частиц, обладают ферментативной активностью, способны к самосборке в морфологические структуры, специфичные для данного вируса.

Белки-ингибиторы ферментов – образуют с ферментами стойкие комплексы, в которых фермент теряет свою активность. В настоящее время выделены ингибиторы трипсина, химотрипсина, карбоксипептидазы и др.

Каталитически активные белки – химические процессы, которые протекают в клетках и тканях катализируются биологическими катализаторами – ферментами, которые являются белками. В настоящее время выделено и идентифицировано около 3500 ферментов.

Структурные белки – белки межклеточного матрикса – коллаген и ретикулин; основной компонент связок – эластин; кожи – коллаген; волос – кератин.

Белки-гормоны – гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др. представлены белками или пептидами. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.

Мембранные белки – в комплексе с фосфолипидами участвуют в образовании биомембран клеток, гиброфобны. Так называемые интегральные белки – стабилизируют клеточные мембраны, но не обладают функциональной активностью.

Биологические функции белков

1) каталитическая – огромная скорость большинства реакций в организме обусловлена действием ферментов – катализаторов белковой природы, которые ускоряют химические реакции;

2) структурная – белки составляют значительную часть организма. Так, в коже содержание белка составляет 27%, скелете – 20%, печени и мышцах – 22%, мозге – 11%, жировой ткани – 6%.

3) энергетическая – при распаде белка образуется 16,8-17,6 кДж энергии, что особенно важно в условиях ночного голодания, экстремальных состояниях, патологиях;

4) транспортная – большинство веществ в крови переносится белками: кислород – гемоглобином, жиры, витамины А, D, Е, К – липопротеинами и т.д.

5) защитная – на действие болезнетворных микроорганизмов организм отвечает защитой – выработкой антител, которые связывают и разрушают микроорганизмы.

6) передача наследственности – основу наследственности составляют нуклеопротеины.

7) сократительная – в сокращении и расслаблении мышц участвуют белки актин, миозин, тропомиозин, тропонин и др.

8) гормональная – в регуляции обмена веществ важную роль играют гормоны, которые являются пептидами и белками.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: