Белки: строение, свойства и функции

БЕЛКИ: СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ

 

Белки или протеины (от греческого protos, что в переводе с означает «первые» или «важнейшие») являются важнейшей составной частью клеток любого организма. Белкам принадлежит решающая роль во всех процессах жизнедеятельности.

I.I. Биологические функции белков

1. Ферментативный катализ - ферменты являются белками.

2. Транспорт небольших молекул или ионов. Например, гемоглобин доставляет кислород от легких к периферическим тканям.

3. Гормональная регуляция

а) большинство гормонов имеют белково-пептидную природу, например инсулин, соматотропин.

б) клеточные рецепторы, которые узнают гормоны, являются белками.

4. Иммунитет. Иммуноглобулины или антитела - это специализированные белки, распознающие чужеродные молекулы и запускающие систему их нейтрализации.

5. Сокращение и движение. Связана с функционированием сократительной системы, решающая роль в которой принадлежит белкам актину и миозину.

6. Структура кожи и костей. Белки, например коллаген, являются важнейшим составным компонентом внеклеточного матрикса.

7. Контроль генной экспрессии. Регуляторами генной активности являются белки, например гистоны.

 

I.2. Белки и их основные признаки

Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие вещества, состоящие из аминокислот, соединенных в цепи с помощью пептидных связей, и имеющих сложную структурную организацию.

Это определение включает характерные признаки белков, а именно:

1) довольно постоянная доля азота (в среднем 16% от сухой массы белка);

2) наличие постоянных структурных звеньев – аминокислот;

3) пептидные связи между аминокислотами, с помощью которых они соединяются в пептидные цепи;

4) большая молекулярная масса (от 4-5 тысяч до миллиона дальтон)

5) сложная структурная организация полипептидной цепи, определяющая физико-химические и биологические свойства.

I.3. Аминокислоты – структурные мономеры белков

Все аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-аминокислотам, содержащим аминогруппу (– NH₂) в a-положении.

Существует несколько классификаций аминокислот:

1) структурная, т.е. по строению бокового радикала;

2) по полярности, т.е. способности R-групп к взаимодействию с водой при физиологических значениях рН.

 

Классификация протеиногенных аминокислот по характеру бокового радикала

I. Ациклические аминокислоты

1) Алифатические незамещенные аминокислоты:

Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин

2) Алифатические замещенные аминокислоты:

а) Гидроксиаминокислоты:

Серин, треонин

б) Тиоаминокислоты:

Цистеин, метионин

в) Карбоксиаминокислоты:

Аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота

г) Амиды карбоксиаминокислот:

Аспарагин, глутамин

д) Диаминокислоты:

Лизин

е) Гуанидиноаминокислоты:

Аргинин

II. Циклические аминокислоты

1) Гомоциклические

Фенилаланин, Тирозин

2) Гетероциклические

Гистидин, Триптофан

3) Циклические иминокислоты

Пролин

 

Классификация аминокислот в соответствии с полярностью их R -групп (при рН 7)

 

I. Неполярные R-группы

Аланин, валин, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин

II Полярные, но незаряженные R-группы

Аспарагин, глицин, глутамин, серин, тирозин, треонин, цистеин

III Отрицательно заряженные R-группы

Аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота

IV Положительно заряженные R-группы

Аргинин, гистидин, лизин

I.4. Физико-химические свойства аминокислот

I.4.2. Cтереоизомерия аминокислот

Все аминокислоты, за исключением глицина, содержат, по крайней мере, один ассиметрический атом углерода (связан с четырьмя различными заместителями) и поэтому являются оптически активными. Аминокислоты существуют как пары стереоизомеров, называемых энантиомерами. Эти изомеры аминокислот названы L (левовращающими) или D (правовращающими) в зависимости от направления, в котором они вращают луч плоскополяризованного света. Белки человека построены только из L-аминокислот. D-аминокислоты обнаруживаются в бактериальных структурах и многих пептидных антибиотиках.

Классификация белков

I. по растворимости

была введена в 1907-1908 гг. и используется до сих пор, особенно в клинической биохимии. Согласно этой классификации выделяют:

Альбумины. Растворимы в воде и солевых растворах.

Глобулины. Слабо растворимы в воде, но хорошо растворимы в солевых растворах.

Проламины. Группа растительных белков, растворимых в 70-80% этаноле, но нерастворимых в воде и абсолютном спирте.

Глютелины. Тоже растительные белки, растворимые в слабых щелочах, но нерастворимые в воде, растворах солей и этаноле.

Гистоны и протамины. Растворимы в слабых кислотах.

Склеропротеины. Фибриллярные белки. Растворимы только в специальных растворителях. Не растворимы в воде и солевых растворах.

По форме молекул

Если исходить из отношения осей (продольной и поперечной), можно выделить два больших класса белков. У глобулярных белков это отношение составляет меньше 10 и в большинстве случаев не превышает 3-4. Они характеризуются компактной упаковкой полипептидных цепей. Примеры глобулярных белков: многие ферменты, инсулин, белки плазмы крови, гемоглобин.

Фибриллярные белки, у которых отношение осей превышает 10. Представители - кератин, коллаген, фиброин шелка.

Физические свойства белков

На физических свойствах белков, таких как ионизация, гидратация, растворимость основаны различные методы выделения и очистки белков.

Так как белки содержат ионогенные, т.е. способные к ионизации аминокислотные остатки (аргинин, лизин, глутаминовая кислота и т.д.), следовательно, они представляют собой полиэлектролиты. При подкислении степень ионизации анионных групп снижается, а катионных - повышается, при подщелачивании наблюдается обратная закономерность. При определенном рН число отрицательно и положительно заряженных частиц становится одинаковым, такое состояние называется изоэлектрическим (суммарный заряд молекулы равен нулю). Значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называют изоэлектрической точкой и обозначают р I. На различной ионизации белков при определенном значении рН основаны методы их разделения - метод изоэлектрического фокусирования и метод электрофореза.

Полярные группы белков (ионогенные и неионогенные) способны взаимодействовать с водой, гидратироваться. Количество воды, связанное с белком достигает 30-50 г на 100 г белка. Гидрофильных групп больше на поверхности белка. Растворимость зависит от размеров и формы молекул, величины суммарного заряда, количества гидрофильных групп в белке. Совокупность всех этих физических свойств белка позволяет использовать метод молекулярных сит или гель-фильтрацию для разделения белков.

Растворимость белков зависит и от наличия других растворенных веществ, например, солей щелочных и щелочно-земельных металлов. При высоких концентрациях этих солей белки выпадают в осадок, причем для осаждения (высаливания) разных белков требуется разная концентрация соли. Это связано с тем, что в присутствии солей белки утрачивают свою гидратную оболочку – основной фактор стабилизации белка в растворе. Метод высаливания используется на ранних этапах очистки белков.

Метод диализа используется для очистки белков от низкомолекулярных примесей с помощью полупроницаемых мембран (например, целлофана). Соли легко проходят через поры мембраны и оказываются в окружающей среде, тогда как белки ввиду больших размеров остаются внутри целлофанового мешочка.

Первичная структура белков

 Первичной структурой белка называют состав и последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле. Первичная структура белков стабилизируется пептидными связями, образующимися между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

Каждый пептид имеет два конца. Конец, на котором находится свободная α-аминогруппа называется N-концом, а противоположный конец, на котором находится α-карбоксильная группа, называется С-концом. Нумерация аминокислотных остатков производится с N-конца.

Первичная структура является единственной, которая закодирована на генетическом уровне. Другие, более высокие уровни структурной организации белка определяются первичной структурой. Поэтому даже небольшие изменения первичной структуры могут значительно изменять свойства белка. Так, болезнь серповидноклеточная анемия является результатом замены всего 1 аминокислоты в b-цепи гемоглобина (Glu ® Val).

Вторичная структура белков

 ─ это укладка белковой молекулы в пространстве без учета влияния боковых заместителей. Выделяют три типа вторичной структуры: a-спираль и b- структуру (слоисто-складчатый слой) и беспорядочный клубок.

a -Спираль представляет из себя правую спираль с одинаковым шагом, равным 3,6 аминокислотных остатков. a-Спираль стабилизируется внутримолекулярными водородными связями, возникающими между атомами кислорода одной пептидной связи и атомами водорода четвертой по счету пептидной связи.

Боковые заместители расположены перпендикулярно плоскости a-спирали.

В слоисто-складчатом слое пептидные цепи (или участки одной и той же пептидной цепи) располагаются параллельно друг другу, образуя фигуру, подобную листу, сложенному гармошкой. Пептидных цепей, взаимодействующих между собой водородными связями, может быть большое количество. Расположены цепи антипараллельно.

Чем больше пептидных цепей входит в состав слоисто-складчатого слоя, тем прочнее молекула белка.

Аминокислоты различаются по способности участвовать в образовании a-спиралей и b-структур. Редко встречаются в a-спиралях глицин, аспарагин, тирозин. Пролин дестабилизирует a-спиральную структуру. Объясните, почему? В состав b-структур входит глицин, почти не встречаются пролин, глютаминовая кислота, аспарагин, гистидин, лизин, серин.

Не вся пептидная цепь имеет правильную структурную организацию, т.е. уложена в b-структуры и a-спирали. Некоторые участки не имеют какой-либо правильной структурной организации – их обозначают как беспорядочный клубок. На нерегулярных участках пептидная цепь может сравнительно легко изгибаться, менять конформацию, в то время, как спираль и складчатый слой представляют собой достаточно жесткие структуры. Содержание b-структур и a-спиралей в разных белках неодинаково.

Третичная структура белков

это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействия между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в пептидной цепи. Гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению внутри глобулярной структуры белков с помощью так называемых гидрофобных взаимодействий и межмолекулярных Ван-дер-ваальсовых сил, образуя плотное гидрофобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы аминокислот в основном расположены на поверхности белка и определяют его растворимость в воде. Они способны взаимодействовать друг с другом с помощью ионных и водородных связей.

Гидрофильные неионизированные аминокислоты, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, могут взаимодействовать друг с другом с образованием водородных связей.

Ионные, водородные и гидрофобные связи относятся к числу слабых: их энергия ненамного превышает энергию теплового движения молекул при комнатной температуре.

Конформация белка поддерживается за счет возникновения множества таких слабых связей.

Третичная структура некоторых белков стабилизирована дисульфидными связями, образующимися за счет взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина.

Большинство внутриклеточных белков не имеет ковалентных дисульфидных связей. Их наличие характерно для секретируемых клеткой белков, например дисульфидные связи имеются в молекулах инсулина и иммуноглобулинов.

Дисульфидные связи разрушаются под действием восстановителей. Это свойство используется для химической завивки волос, которые почти полностью представляют собой белок кератин, пронизанный дисульфидными связями.

Характер пространственной укладки определяется аминокислотным составом и чередованием аминокислот в полипептидной цепи (первичной структурой). Следовательно, каждый белок имеет только одну пространственную структуру, соответствующую его первичной структуре.

Кроме ковалентной дисульфидной все остальные связи, стабилизирующие третичную структуру, являются по своей природе слабыми и легко разрушаются. При разрыве большого числа связей, стабилизирующих пространственную структуру белковой молекулы, упорядоченная уникальная для каждого белка конформация нарушается, при этом часто теряется биологическая активность белка. Такое изменение в пространственном строении называется денатурацией.  

Доменная структура белков

Длинные полипептидные цепи часто укладываются в несколько компактных, относительно независимых областей. Они имеют самостоятельную третичную структуру и называются доменами. В некоторых белках домены выполняют самостоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофункциональными белками. Например, протеинкиназа С имеет в своем составе домен, связывающий диациглицерол, домен, связывающий Са²⁺ и каталитический домен.

Ингибиторы функций белков

Учитывая, что различные лиганды отличаются К_св, всегда можно подобрать вещество, похожее по структуре на природный лиганд, но имеющий большее значение К_св с данным белком. Например, СО имеет К_св в 200 раз больше, чем О₂ с гемоглобином, поэтому достаточно 0,1% СО в воздухе, чтобы заблокировать большое количество молекул гемоглобина. По такому же принципу действуют многие лекарства. Например, дитилин.

Ацетилхолин - медиатор передачи нервных импульсов на мышцу. Дитилин, имея большую К_св, блокирует рецептор, с которым связывается ацетилхолин, и вызывает эффект парализации.

Изофункциональные белки

Белок, выполняющий определенную функцию в клетке, может быть представлен несколькими формами - изофункциональными белками или изобелками. Такие белки хоть и выполняют одинаковую функцию, но отличаются константой связывания, что приводит к некоторым различиям в функциональном отношении. Например, в эритроцитах человека обнаружено несколько форм гемоглобина: HbA (96%), HbF (2%), HbA₂ (2%). Все гемоглобины представляют собой тетрамеры, построенные из протомеров a, b, g, d (HbA -a₂b₂, HbF - a₂g₂, HbA₂ - a₂d₂). Все протомеры сходны между собой по первичной, вторичной и третичной структурам. Все формы гемоглобинов предназначены для переноса кислорода в клетки тканей, но HbF, например, имеет большее сродство к кислороду, чем HbA. HbF характерен для эмбриональной стадии развития человека. Он способен отнимать кислород у HbA, что обеспечивает нормальное снабжение кислородом плода.

Изобелки - это результат наличия более чем одного структурного гена в генофонде вида.

БЕЛКИ: СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ

 

Белки или протеины (от греческого protos, что в переводе с означает «первые» или «важнейшие») являются важнейшей составной частью клеток любого организма. Белкам принадлежит решающая роль во всех процессах жизнедеятельности.