Нативные биополимеры как компоненты клеток

Белки

Белки - это нерегулярные биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, в молекулах которых содержатся одновременно аминогруппы и карбоксильные группы. В общем виде их строение выражается формулой

В состав белка может входить 20 аминокислот (рис. 4), восемь из которых незаменимые: валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека, они должны поступать с пищей.

Уровни структурной организации белковых молекул

Принято выделять четыре уровня структурной организации белковой молекулы: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура. Рассмотрим особенности каждого из этих уровней.

Первичной структурой белка называют последовательность чередования аминокислот в полипептид ной цепи. Эту структуру формируют пептидные связи между а-амино- и а-карбоксильными группами аминокислот. Даже небольшие изменения первичной структуры белка могут значительно изменять его свойства.

Примером заболеваний, развивающихся в результате изменения первичной структуры белка, являются гемоглобинопатии (гемоглоби- нозы). В эритроцитах здоровых взрослых людей присутствует гемоглобин А (НЪ А). В крови некоторых людей содержится аномальный (изменённый) гемоглобин (Hb S).

Строение аминокислот, входящих в состав белков

Рис. 4. Строение аминокислот, входящих в состав белков

Единственное отличие первичной структуры Hb S от НЬ А - замена гидрофильного остатка глутаминовой кислоты на гидрофобный остаток валина в концевом участке их (3-цепей:

Как известно, основная функция гемоглобина - транспорт кислорода к тканям. В условиях пониженного парциального давления рС>2 снижается растворимость гемоглобина Hb S в воде и его способность связывать и переносить кислород. Эритроциты принимают при этом серповидную форму, быстро разрушаются, вследствие чего развивается малокровие (серповидно-клеточная анемия).

Установлено, что последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи белка несет в себе информацию, необходимую для формирования пространственной структуры белка. Установлено, что каждой полипептидной последовательности соответствует только один стабильный вариант пространственной структуры. Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную трехмерную структуру получил название фолдинг.

До последнего времени считалось, что формирование пространственной структуры белка происходит самопроизвольно, без участия каких-либо компонентов. Однако недавно обнаружилось, что это справедливо только для сравнительно небольших белков (порядка 100 аминокислотных остатков). В процессе фолдинга более крупных белков принимают участие специальные протеины - шапероны, которые создают возможность быстрого формирования правильной пространственной структуры белка.

Вторичная структура белка представляет собой способ свертывания полипептидной цепи в спиральную или иную конформацию. При этом образуются водородные связи между СО- и NH- группами пептидного остова одной цепи или смежных полипептидных цепей. Известно несколько типов вторичной структуры пептидных цепей, среди которых главными являются а-спираль и Р-складчатый слой.

а-Спиралъ - жесткая структура, имеет вид стержня. Внутреннюю часть этого стержня создает туго закрученный пептидный остов, радикалы аминокислот направлены наружу. При этом СО-группа каждого аминокислотного остатка взаимодействует с NH-группой четвертого от него остатка. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а шаг спирали составляет 0,54 нм (рис. 5).

а-Спиралъ пептидных цепей

Рис. 5. а-Спиралъ пептидных цепей

Следует обратить внимание на то, что тип вторичной структуры белка определяется его первичной структурой.

Так, некоторые аминокислоты препятствуют свертыванию цепи в а-спираль, и в месте их расположения непрерывность спирали нарушается. К этим аминокислотам относится пролин. Атом азота этой аминокислоты входит в состав жесткой кольцевой структуры, и вращение вокруг связи N-C становится невозможным. В месте расположения остатка пролина (атомы пирролидинового кольца в пролине лежат в одной плоскости) пептидная цепь делает изгиб, и водородные связи между аминокислотами не образуются. Поэтому белки с высоким содержанием пролина, например коллаген, не способны образовывать а-спираль.

Кроме того, аминокислоты с заряженными радикалами электростатически или механически препятствуют формированию а-спирали. Если в пределах одного витка (примерно 4 аминокислотных остатка) находятся два таких радикала (или более), они взаимодействуют и деформируют спираль.

P-Складчатый слой (рис. 6) отличается от а-спирали тем, что имеет плоскую, а не стержневидную форму. Он образуется при помощи водородных связей в пределах одной или нескольких полипептид- ных цепей. Пептидные цепи могут быть расположены в одном направлении (параллельно) или в противоположных направлениях (антипараллельно). Боковые радикалы находятся выше и ниже плоскости слоя.

/?-Складчатый слой

Рис. 6. /?-Складчатый слой

Третичная структура белка - это распределение в пространстве всех атомов белковой молекулы или, иначе говоря, пространственная упаковка спирализованной полипептидной цепи. Основную роль в образовании третичной структуры белка играют водородные, ионные, гидрофобные и дисульфидные связи, которые образуются в результате взаимодействия между радикалами аминокислот.

Водородные связи образуются между двумя полярными незаряженными радикалами или между незаряженным и заряженным радикалами, например радикалами серина и глутамина:

Ионные связи могут возникать между противоположно заряженными радикалами, например радикалами глутамата и аргинина:

Гидрофобные взаимодействия характерны для неполярных радикалов, например валина и лейцина:

Дисулъфидные связи образуются между SH-группами двух радикалов цистеина, находящихся в разных участках полипептидной цепи:

По форме молекулы и особенностям формирования третичной структуры белки делят на глобулярные и фибриллярные.

Глобулярные белки имеют сферическую или эллипсовидную форму молекулы (глобула). В процессе образования глобулы гидрофобные радикалы аминокислот погружаются во внутренние области, гидрофильные радикалы располагаются на поверхности молекулы. При взаимодействии с водной фазой полярные радикалы образуют многочисленные водородные связи. Белки удерживаются в растворенном состоянии за счет заряда и гидратной оболочки. В организме глобулярные белки выполняют динамические функции: транспортную, ферментативную, регуляторную, защитную.

К глобулярным белкам относятся:

  • - альбумин - белок плазмы крови; содержит много остатков глутамата и аспартата; осаждается при 100%-м насыщении раствора сульфатом аммония;
  • - глобулины - белки плазмы крови; по сравнению с альбумином обладают большей молекулярной массой и содержат меньше остатков глутамата и аспартата; осаждаются при 50%-м насыщении раствора сульфатом аммония;
  • - гистоны - входят в состав ядер клеток, где образуют комплекс с ДНК. Содержат много остатков аргинина и лизина.

Фибриллярные белки имеют нитевидную форму (фибриллы), образуют волокна и пучки волокон. Между соседними полипептид- ными цепями имеется много поперечных ковалентных сшивок. Нерастворимы в воде. Переходу в раствор препятствуют неполярные радикалы аминокислот и сшивки между пептидными цепями. В организме выполняют главным образом структурную функцию, обеспечивают механическую прочность тканей.

К фибриллярным белкам относятся:

  • - коллаген - белок соединительной ткани; в его составе преобладают аминокислоты глицин, пролин, гидроксипролин;
  • - эластин, который более эластичен, чем коллаген, входит в состав стенок артерий, лёгочной ткани; в его составе преобладают аминокислоты глицин, аланин, валин;
  • - кератин - белок эпидермиса и производных кожи, в его структуре преобладает аминокислота цистеин.

Четвертичная структура белка - размещение в пространстве взаимодействующих между собой субъединиц, образованных отдельными полипептидными цепями белка.

Четвертичная структура - высший уровень организации белковой молекулы, к тому же необязательный (более половины известных белков ее не имеют). Белки, обладающие четвертичной структурой, называют также олигомерными белками, а полипептидные цепи, входящие в их состав, - субъединицами или протомерами. В некоторых белках такие субъединицы одинаковы или имеют сходное строение, а другие белки состоят из субъединиц с цепями разных типов. Каждый из протомеров синтезируется в виде отдельной полипептидной цепи, которая сворачивается в глобулу и затем объединяется с другими путем самосборки. Каждая субъединица содержит участки, способные взаимодействовать с соответствующими участками других субъединиц. Эти взаимодействия осуществляются посредством водородных, ионных и гидрофобных связей между радикалами аминокислот, входящих в состав разных цепей.

Олигомерные белки могут существовать в виде нескольких устойчивых конформаций и обладают аллостерическими свойствами, то есть способны переходить из одной конформации в другую с изменением своей функциональной активности. Примером олигомерных белков может служить эритроцитарный белок - гемоглобин.

В состав его молекулы входят четыре попарно одинаковые субъединицы, обозначаемые буквами аир. Небелковая часть гемоглобина — гем - показана синим цветом (рис. 7).

Пространственное строение гемоглобина

Рис. 7. Пространственное строение гемоглобина

Известны также белки, молекулы которых состоят из двух или более полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями (инсулин, тромбин). Подобные белки называют олигомерными. Такие белки образуются из единой полипептидной цепи в результате частичного протеолиза - локального расщепления пептидных связей. Аллостерическими свойствами, характерными для олигомерных белков, такие белки не обладают [12].

Классификация белков

Ввиду огромного количества белков, функционирующих в живых организмах, не существует единой их классификации. Поэтому на данный момент действует несколько классификаций, в основу каждой из которых положен какой-либо признак, объединяющий белки в узкие или широкие группы.

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 группа небелковой природы - простетическая группа. В качестве такой группы могут выступать липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты; соответственно сложные белки называют липопротеинами, гликопротеинами, нуклеопротеинами.

По форме белковой молекулы белки разделяются на две группы:

  • а) фибриллярные (волокнистые) белки, молекулы которых имеют нитевидную форму. К ним относят фиброин шелка, кератин шерсти;
  • б) глобулярные белки, молекулы которых имеют округлую, сферическую форму. К ним относят альбумины, глобулины. Подавляющее большинство природных белков относятся к глобулярным, и, по сравнению с фибриллярными белками, в силу более сложной конфигурации они выполняют разнообразные функции.

По отношению к условно выбранным растворителям выделяют альбумины и глобулины. Альбумины хорошо растворяются в воде и концентрированных солевых растворах. Для них же характерна растворимость в водном растворе сульфата аммония (NH4)2S04 с концентрацией, превышающей 50 % от насыщения белкового раствора. Глобулины не растворяются в воде и растворах солей умеренной концентрации. При 50 %-й концентрации сульфата аммония в белковом растворе глобулины полностью выпадают в осадок.

Функциональная классификация наиболее удовлетворительная, так как в основу ее положен не случайный признак, а выполняемая функция:

  • • каталитически активные белки (ферменты) осуществляют катализ всех химических превращений в клетке;
  • • гормоны регулируют обмен веществ внутри клеток и интегрируют обмен в различных клетках организма в целом;
  • • белки-рецепторы избирательно связывают различные регуляторы на поверхности клеточных мембран;
  • • транспортные белки связывают и транспортируют вещества между тканями и через мембраны клеток;
  • • структурные белки участвуют в построении различных биологических мембран;
  • • белки-ингибиторы ферментов регулируют активность ферментов;
  • • сократительные белки обеспечивают механический процесс сокращения с использованием химической энергии;
  • • токсичные белки выделяются некоторыми организмами (змеями, пчелами, микроорганизмами) и являются ядовитыми для других живых организмов;
  • • защитные белки - антитела - белки, вырабатываемые животными в ответ на введение антигена. Антитела, взаимодействуя с антигенами, дезактивируют их и тем самым защищают организм от воздействия чужеродных соединений, вирусов, бактерий [13].

Белки выполняют в организме множество жизненно важных функций. Рассмотрим их подробнее.

1. Каталитическая функция. Катализатор - это вещество, которое ускоряет реакцию, не расходуясь в ходе нее. Биологические катализаторы называются ферментами, а вещества, участвующие в самой реакции, - субстратами. Практически все ферменты - это белки. В живой клетке может содержаться около 1000 ферментов.

Для живой клетки весьма ценны такие особенности работы ферментов по сравнению с обычными «химическими» катализаторами, как специфичность, высокая эффективность и регулируемость.

Обычно один фермент узнает только «свой» субстрат и ускоряет одну определенную реакцию. Правда, в некоторых случаях специфичность нужна лишь в определенных пределах. Так, многие протеазы расщепляют любую пептидную связь белкового субстрата, они неспецифичны к аминокислотным остаткам, составляющим эту связь. Однако они не расщепляют связи между остатками моносахаридов.

Большинство ферментов значительно превосходят по каталитической активности неорганические и простые органические катализаторы. Для эффективной работы небиологических катализаторов, как правило, нужна высокая температура, тогда как в организме человека все ферменты функционируют при температуре около 37 °С (у холоднокровных животных - более низкой).

Еще одно ценное свойство ферментов - это регулируемость, т. е. способность «включаться» и «выключаться». Это относится не ко всем ферментам, некоторые не нужно регулировать.

Однако у ферментов есть и недостатки. Так, они не выдерживают высокой температуры и теряют свою каталитическую активность из-за денатурации. Впрочем, у разных белков различная устойчивость к температурным воздействиям: так, у бактерий-термофилов белки нормально работают при 100 °С.

Многие ферменты нуждаются для своей работы в наличии небольших небелковых соединений - коферментов. Они часто образуются из витаминов - почти все витамины группы В являются предшественниками коферментов. Некоторые коферменты прочно связаны со своими ферментами, тогда как другие легко отделяются от одного белка и присоединяются к другому.

Некоторые ферменты активны только тогда, когда связываются с ионами металлов - магния, марганца, цинка, железа, меди и др.

2. Структурная функция. Структурную функцию выполняет, например, белок кератин, из которого состоят шерсть, рога, копыта, верхний отмерший слой кожи. В зависимости от числа поперечных сшивок, скрепляющих белковые молекулы, кератиновые структуры бывают довольно мягкими и гибкими (волосы), а бывают чрезвычайно жесткими и прочными (панцирь черепахи). В сухожилиях содержится белок коллаген, его фибриллы почти не поддаются растяжению. Благодаря этому мышечное усилие передается костям, к которым крепятся мышцы. При кипячении в воде коллаген образует желатину, часто применяющуюся для приготовления студней и желе. Белок эластин, наоборот, не слишком прочен, но очень эластичен, он содержится в стенках сосудов, легко растягивающихся при увеличении давления. Белки выполняют структурную функцию не только на организменном, но и на клеточном уровне - в любой эукариотической клетке есть внутренний цитоскелет, состоящий из белков. Различают три различных цитоскелетных системы: микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты.

Микротрубочки (рис. 8) представляют собой трубчатые образования, состоящие из белка тубулина. По ним, как по рельсам, движутся органеллы от одного участка клетки к другому. Другие белки прикрепляют органеллы к наружной стороне «трубы» и обеспечивают движение. Во время митоза они обеспечивают расхождение хромосом к полюсам клетки.

1

Микрофиламенты (рис. 9) состоят из белка актина. Они образуют сплошную сеть под наружной мембраной клетки, придавая ей упругость и прочность. Пучки микрофиламентов образуются на переднем конце движущейся амебы и любой другой клетки с амебоидным движением; именно они выпячивают ложноножку (псевдоподию).

Промежуточные филаменты в разных клетках состоят из различных белков. В эпителиальных клетках они состоят из кератина, так что волосы представляют собой остатки мертвых ороговевших клеток. По- видимому, эти филаменты просто придают механическую прочность клетке.

Строение микротрубочки (слева) и цитоскелет, образованный микротрубочками, в клетке соединительной ткани (фибробласте) (справа). Микротрубочки окрашены зеленым, ядро - голубым

Рис. 8. Строение микротрубочки (слева) и цитоскелет, образованный микротрубочками, в клетке соединительной ткани (фибробласте) (справа). Микротрубочки окрашены зеленым, ядро - голубым

Строение микрофиламента (слева) и цитоскелет, образованный микрофиламентами, в фибробласте (справа). Микрофиламенты окрашены желтым

Рис. 9. Строение микрофиламента (слева) и цитоскелет, образованный микрофиламентами, в фибробласте (справа). Микрофиламенты окрашены желтым

3. Двигательная функция. Все известные способы движения живых организмов основаны на работе соответствующих белков. Так, сокращение мышц обеспечивают мышечные белки актин и миозин. В поперечно-полосатых мышцах имеются пучки актиновых и миозино- вых нитей, которые называются тонкими и толстыми филаментами. При возбуждении мышцы эти филаменты начинают скользить друг по другу (рис. 10). Толстые филаменты как бы втягиваются в пространство между тонкими, в результате чего мышца сокращается. Энергия для такого направленного скольжения поставляется в процессе гидролиза АТФ.

Puc. 10. Мышечное сокращение и скольжение актиновых и миозиновых нитей

Они же делают возможным ползание амебы. На переднем конце амебоидной клетки растут актиновые филаменты, они выпячивают наружную мембрану, образуя ложноножку. Затем ложноножка прикрепляется к поверхности, по которой ползет амеба. Наконец, с помощью миозина вся клетка подтягивается к прикрепленной ложноножке, и процесс повторяется снова.

Другие белки обеспечивают подвижность жгутиков. По окружности жгутика эукариотических клеток располагаются микротрубочки, связанные друг с другом с помощью белка динеина. Этот белок как бы пытается заставить скользить одну микротрубочку по другой. Но микротрубочки скреплены друг с другом специальными белками, поэтому они не могут свободно скользить друг по другу, а могут лишь изгибаться. Этот изгиб распространяется по всему жгутику, он начинает биться как хлыст, вызывая движение всей клетки. Динеин работает на энергии АТФ. Механизм движения жгутиковых представлен на рис. 11.

Механизм движения жгутика эукариотических клеток

Рис. 11. Механизм движения жгутика эукариотических клеток

4. Транспортная функция. Классический пример транспортного белка - это гемоглобин крови, который переносит кислород по кровяному руслу (он участвует и в транспорте углекислого газа). Имеются специальные белки, переносящие по организму различные вещества: ионы железа (белок трансферрин), витамин В12 (транскобаламин), жирные кислоты (сывороточный альбумин), стероидные гормоны и т.п.

Специальные белки служат и для транспорта разных веществ через мембрану. Глюкоза является гидрофильным соединением и очень плохо проникает через липидный бислой, поэтому на мембранах различных клеток имеется специальный белок - переносчик глюкозы. Хотя бислой проницаем для воды, все же на мембране есть белки- аквапорины, ускоряющие прохождение воды через нее. Некоторые ак- вапорины специфично транспортируют только воду, другие могут переносить еще и разные небольшие нейтральные молекулы (глицерин, мочевину).

5. Энергетическая функция. Белки можно расщепить, окислить и получить энергию, необходимую для жизни. При окислении 1 г белка выделяется около 4,1 килокалории. Обычно белки идут на энергетические нужды организма человека в крайних случаях, когда исчерпаны запасы жиров и углеводов.

В яйцеклетках содержатся специальные запасные белки (например, яичный альбумин). Когда начинается развитие нового организма из оплодотворенного яйца, они расщепляются и используются как «строительный материал» для синтеза новых белков, а также как источник энергии. Запасные белки содержатся и в семенах растений.

6. Защитная функция. В крови и других жидкостях содержатся белки, которые могут вызывать гибель микробов или помогать их обезвреживать. В состав плазмы крови входят антитела - белки, каждый из которых узнает определенный вид микроорганизмов или иных чужеродных агентов, - а также защитные белки системы комплемента. Существует несколько классов антител (эти белки еще называют иммуноглобулинами), самый распространенный из них - иммуноглобулин G. В слюне и в слезах содержится белок лизоцим - фермент, расщепляющий муреин и разрушающий клеточные стенки бактерий. При заражении вирусом клетки животных выделяют белок интерферон, препятствующий размножению вируса и образованию новых вирусных частиц.

Защитную функцию для микроорганизмов выполняют и такие нежелательные для нас белки, как микробные токсины - холерный токсин, токсин ботулизма, дифтерийный токсин и т. п. Повреждая клетки нашего организма, они защищают микробов от нас.

7. Рецепторная функция. Белки служат для восприятия и передачи сигналов. В физиологии есть понятие клетки-рецептора, т. е. клетки, которая воспринимает определенный сигнал (например, в сетчатке глаза находятся клетки - зрительные рецепторы). Но в клеткахрецепторах эту работу осуществляют белки-рецепторы. Так, белок родопсин, содержащийся в сетчатке глаза, улавливает кванты света, после чего в клетках сетчатки начинается каскад событий, который приводит к возникновению нервного импульса и передаче сигнала в мозг.

Белки-рецепторы есть не только в клетках-рецепторах, но и в других клетках. Очень важную роль в организме играют гормоны - вещества, выделяемые одними клетками и регулирующие функцию других клеток. Гормоны связываются со специальными белками - рецепторами гормонов на поверхности или внутри клеток-мишеней.

8. Регуляторная функция. Многие, хотя и далеко не все гормоны являются белками, например, все гормоны гипофиза и гипоталамуса, инсулин и др. Еще одним примером белков, выполняющих эту функцию, могут служить внутриклеточные белки, регулирующие работу генов [14].

Свойства белков

Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах - от десятков тысяч до миллионов единиц (104-107 кДа[1]).

Белки существуют в различных агрегатных состояниях: известны твердые аморфные или кристаллические, а также вазелино- или маслоподобного вида белки.

Все белки нерастворимы в безводном спирте и других органических растворителях. Многие белки растворяются в воде и разбавленных растворах солей, образуя при этом коллоидные растворы. Белковые растворы амфотерны. Различие в количестве кислотных и основных групп в молекуле белка и степени ионизации этих групп приводит к тому, что у белков преобладают кислотные или основные свойства. Белки, как и аминокислоты, имеют изоэлектрическую точку. Для белков характерно явление денатурации, то есть разрушение связей, обусловливающих вторичную, третичную и четвертичную структуры под влиянием различных воздействий. Незатронутой остается лишь первичная структура. Денатурация происходит при повышении температуры, изменении pH среды, облучении УФ-лучами, добавлении некоторых растворителей. В зависимости от степени разрушения структуры и от природы белка денатурация может быть обратимой (то есть после снятия воздействия структура восстанавливается) или необратимой.

Наиболее характерными качественными реакциями на белки являются [13]:

1. Биуретовая реакция - появление фиолетового окрашивания при обработке солями меди в щелочной среде (ее дают все белки):

Фиолетовую окраску имеет комплексное соединение, получаемое в ходе реакции.

2. Ксантопротеиновая реакция - появление при действии концентрированной азотной кислоты желтого окрашивания, переходящего при действии аммиака в оранжевое. Её дают белки, содержащие ароматические аминокислоты:

3. Реакция Миллона - кипячение белка с раствором нитрата ртути в смеси азотной и азотистой кислот приводит к выпадению краснокоричневого осадка как реакция на тирозин:

4. Нингидринная реакция - появление синего окрашивания при кипячении с водным раствором нингидрина (на все белки):

  • [1] Дальтон (Да), она же углеродная единица — внесистемная единица массы,применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Атомная единица массы определяется как 1/12 массы свободного покоящегося атома угле-рода С, находящегося в основном состоянии
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >