Главная » Дизайн кухни » Название белка структура белка функция. Функции и структура белка. Классификация по форме белковых молекул

Название белка структура белка функция. Функции и структура белка. Классификация по форме белковых молекул

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.  

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

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

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

Химический состав и структура белков

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

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

Аминокислоты

Сальмин

Инсулин быка

Гемоглобин

лошади

Альбумин сыворотки быка

Кератин

шерсти

Фиброин шелка

Зеин

Аланин

1,12

7,40

6,25

4,14

29,7

10,52

Глицин

2,95

5,60

1,82

6,53

43,6

Валин

3,14

7,75

9,10

5,92

4,64

3,98

Лейцин

13,2

15,40

12,27

11,3

0,91

21,1

Изолейцин

1,64

2,77

2,61

11,3

Пролин

5,80

2,02

3,90

4,75

0,74

10,53

Фенилаланин

8,14

7,70

6,59

3,65

3,36

Тирозин

12,5

3,03

5,06

4,65

12,8

5,25

Триптофан

1,70

0,68

Серин

5,23

5,80

4,23

10,01

16,2

7 ,05

Треонин

2,08

4 ,36

5,83

6,42

3,45

Цистин/2

12,5

0,45

5,73

11 ,9

0,83

Метионин

0,81

2,41

Аргинин

85,2

3,07

3,65

5,90

10,04

1,71

Гистидин

5,21

8,71

0,36

1 ,32

Лизин

2,51

8,51

12,82

2,76

0,68

Аспарагиновая кислота

6,80

10,60

10,91

2,76

4,61

Глутаминовая кислота

18,60

8,50

16,5

14,1

2,16

29,6

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

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

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

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

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

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

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

Физико-химические свойства

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

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

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

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

Методы обнаружения и определения белков

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

Классификация белков

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 2. РНК-АМИНОКИСЛОТНЫЙ КОД

Первый нуклеотид кодона (с 5"-конца)

Второй нуклеотид кодона

Третий нуклеотид кодона (с 3’-конца)

Фен

Сер

Тир

Цис

Фен

Сер

Тир

Цис

Лей

Сер

УАА

УГА

Лей

Сер

УАГ

Три

Лей

Про

Гис

Арг

Лей

Про

Гис

Арг

Лей

Про

Глн

Арг

Лей

Про

Глн

Арг

Иле

Тре

Асн

Сер

Иле

Тре

Асн

Сер

Иле

Тре

Лиз

Арг

Мет

Тре

Лиз

Арг

Вал

Ала

Асп

Гли

Вал

Ала

Асц

Гли

Вал

Ала

Глу

Гли

Вал

Ала

Глу

Гли

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

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

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

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

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

Белки в питании

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

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

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

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

Возраст (в годах)

Потребность (в г на 1 кг массы тела в день)

средняя

-20%

+20%

Дети

1-3

0,88

0,70

1,06

4-6

0,81

0,65

0,97

7-9

0,77

0,62

0,92

10-12

0,72

0,58

0,86

Подростки

13-15

0,70

0,56

0,84

16-19

0,64

0,51

0,77

Взрослые

0,59

0,47

0,71

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

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

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

Детское население

возраст

потребление белков

всего

животных

0 - 3 мес .

4- 6 мес .

6- 12 мес .

1 - 1,5 года

1,5- 2 года

3- 4 года

5- 6 лет

7-10 лет

11 - 13 лет

14- 17 лет (юноши)

14- 17 лет (девушки)

Взрослое население

группы по характеру труда

(в годах

мужчины

женщины

потребление

белков

потребление белков

всего

живот

ных

всего

живот

ных

Труд , не связанный с физическими напряжениями

18- 40

Механизированный труд и сфера обслуживания с невысокой физической нагрузкой

40 - 60

Механизированный труд и сфера обслуживания со значительной нагрузкой

18 - 40

Механизированный труд с большой физ . нагрузкой

Пенсионный возраст

60- 70

Свыше

Студенты

Беременные 5 -9 мес .

Кормящие

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

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

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

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

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

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

Таблица 5. СТАНДАРТНЫЕ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ШКАЛЫ

Аминокислоты

Отношение незаменимой аминокислоты в мг к 1 г суммы незаменимых аминокислот (А /Н )

женское

молоко

куриные

яйца

женское

молоко

куриные

яйца

Изолейцин

Лейцин

Лизин

Сумма ароматических аминокислот :

фенилаланин

тирозин

Сумма серосодержащих аминокислот :

цистин

метионин

Треонин

Триптофан

Валин

Сумма незаменимых аминокислот

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

Таблица 6. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АМИНОКИСЛОТНОГО СКОРА И УТИЛИЗАЦИИ БЕЛКА

Продукты

Аминокислотный скор

Лимитирующие

аминокислоты

Показа -тели утилизации белка

по шкале ФАО

по женскому молоку

по куриным яйцам

Молоко коровье

Яйца

Казеин

Яичный альбумин

Триптофан

Мясо говяжье

Сердце говяжье

Печень говяжья

Почки говяжьи

Свинина (вырезка )

Рыба

Триптофан

Овес

Лизин

Рожь

Треонин

Рис

Лизин

Кукурузная мука

Триптофан

Просо

во

Лизин

Сорго

Пшеничная мука

Пшеничные зародыши

Пшеничный глютент

Лизин

Арахисовая мука

Соевая мука

Семена кунжута

Лизин

Семена подсолнечника

Семена хлопчатника

Картофель

Горох

Батат (сладкий картофель )

Шпинат

Кассава

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

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

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

Радиоактивные белки

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

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

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

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

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

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

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

Структура белковой молекулы.

Органические вещества. Белки

Органические вещества.

О рганические соединения составляют в среднем 20–30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры и ряд низкомолекулярных органических веществ – аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д. Полимеры – сложные разветвленные или линейные молекулы, при гидролизе распадающиеся до мономеров . Если полимер состоит из одного вида мономеров, то такой полимер называют гомополимером , если в состав полимерной молекулы входят различные мономеры – то это гетерополимер . Если группа различных мономеров в полимерной молекуле повторяется (А,Б,В,А,Б,В,А,Б,В) – это регулярный гетерополимер , если нет повторения определенной группы мономеров – гетерополимер нерегулярный .

Белки.

Из органических веществ клетки по количеству и значению на первом месте стоят белки. Белки , или протеины (от греч. протос – первый, главный) – высокомолекулярные гетерополимеры, органические вещества и распадающиеся при гидролизе до аминокислот . Значение белков настолько велико, что информация о белках включена в два наиболее популярных определения Жизни: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» (Ф.Энгельс). «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенными из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот» (М.В.Волькенштейн).

В состав простых белков (состоящих только из аминокислот) входят углерод, водород, азот, кислород и сера . Часть белков (сложные белки) образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь – это сложные белки, содержащие помимо аминокислот еще и небелковую - простетическую группу . Она может быть представлена ионами металлов (металлопротеины - гемоглобин), углеводами (гликопротеины ), липидами (липопротеины ), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины ).

Белки обладают огромной молекулярной массой : Один из белков – глобулин молока – имеет молекулярную массу 42000. Его формула С 1864 Н 3012 О 576 N 468 S 21 . Существуют белки, молекулярная масса которых в 10 и даже в 100 раз больше. Для сравнения: молекулярная масса спирта – 46, уксусной кислоты – 60, бензола – 78.

Белки представляют собой нерегулярные гетерополимеры , мономерами которых являются α-аминокислоты . В клетках и тканях обнаружено свыше 170 различных аминокислот, но в состав белков входит лишь 20 α-аминокислот . В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме, различают: заменимые аминокислоты – десять аминокислот, синтезируемых в организме и незаменимые аминокислоты – аминокислоты, которые в организме не синтезируются. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают полноценными , если содержат весь набор незаменимых аминокислот и неполноценными , если какие-то незаменимые аминокислоты в их составе отсутствуют.

Общая формула аминокислот приведена на рисунке. Все α -аминокислоты при α -атоме углерода содержат атом водорода, карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH 2). Остальная часть молекулы представлена радикалом.

Аминогруппа легко присоединяет ион водорода, т.е. проявляет основные свойства. Карбоксильная группа легко отдает ион водорода – проявляет свойства кислоты. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах. Это зависит от рН раствора и от того, какая аминокислота: нейтральная, кислая или основная.
Рис. 256. Образование дипептида.
В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу, основные аминокислоты, имеющие в радикале еще одну аминогруппу и кислые аминокислоты, имеющие в радикале еще одну карбоксильную группу.

Пептиды – органические вещества, состоящие из небольшого количества остатков аминокислот, соединенных пептидной связью. Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот (рис.).

При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую называют пептидной . В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов . Если полипептид состоит из большого количества остатков аминокислот, то его уже называют белком. На одном конце молекулы находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом – свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).

Структура белковой молекулы.

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию . Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.

Первичная структура белка – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами – пептидная.
Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот – 20 10 . Белки же, выделенные из живых организмов, образованы сотнями, а иногда и тысячами аминокислотных остатков.

В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.

Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в b-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию – транспорт кислорода (в таких случаях у человека развивается заболевание – серповидноклеточная анемия).

Первым белком, у которого была выявлена аминокислотная последовательность, стал гормон инсулин. Исследования проводились в Кембриджском университете Ф.Сэнгером с 1944 по 1954 год. Было выявлено, что молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей (21 и 30 аминокислотных остатков), удерживаемых около друг друга дисульфидными мостиками. За свой кропотливый труд Ф.Сэнгер был удостоен Нобелевской премии.

Вторичная структура – упорядоченное свертывание полипептидной цепи в α-спираль (имеет вид растянутой пружины) и β-структра (складчатый слой) . В α- спирали NH-группа данного остатка аминокислоты взаимодействует с СО-группой четвертого от нее остатка. Практически все «СО-» и «NН-группы» принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Cкладчатый слой (синоним β-структра) формируется в том случае, если сегменты полипептидных цепей располагаются параллельно или антипараллельно друг другу в один слой. При этом образуется фигура, напоминающая лист, сложенный гармошкой.

Третичная структура - укладка полипептидных цепей в глобулы , возникающей в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы.

У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны. По форме молекулы различают белки глобулярные и фибриллярные. Если фибриллярные белки выполняют в основном опорные функции, то глобулярные белки растворимы и выполняют множество функций в цитоплазме клеток или во внутренней среде организма.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле исключительно при помощи нековалентных связей, в первую очередь водородных и гидрофобных.

Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя a-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя b-субъединицами (146 аминокислотных остатков).С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.

Многие белки с четвертичной структурой занимают промежуточное положение между молекулами и клеточными органеллами – например микротрубочки цитоскелета состоят из белка тубулина , состоящего из двух субъединиц. Трубочка удлиняется в результате присоединения димеров к торцу.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции

Свойства белков.

Аминокислотный состав, структура белковой молекулы определяют его свойства. Белки сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот, чем больше кислых аминокислот в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства. Способность отдавать и присоединять Н + определяют буферные свойства белков, один из самых мощных буферов - гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне.

Есть белки растворимые (фибриноген), есть нерастворимые , выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген).

Есть белки активные в химическом отношении (ферменты), есть химически неактивные , устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые .

Внешние факторы (нагревание, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и их соли, изменения рН, радиация, обезвоживание) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка без разрушения первичной структуры, называют денатурацией .

Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций.

Если денатурация не сопровождается разрушением первичной структуры, то она может быть обратимой , в этом случае происходит самовосстановление свойственной белку конформации. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой . Разрушение первичной структуры белка называется деградацией .

Функции белков.

Благодаря сложности, разнообразию форм и состава, белки играют важную роль в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Функции их разнообразны.

Функция Примеры и пояснения
1. Строительная Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т.д.
2. Транспортная Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
3. Регуляторная Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов.
4. Защитная В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки - антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений
5. Двигательная Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных
6. Сигнальная В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку.
7. Запасающая В организме животных белки как правило не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется в организме, образуя комплекс с белком ферритином.
8. Энергетическая При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов - воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы.
9. Каталитическая Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками - ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобисфосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО 2 при фотосинтезе.

Ферменты илиэнзимы – особый класс белков, являющихся биологическими катализаторами. Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч раз (а иногда и в миллионы) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Вещество, на которое оказывает свое действие фермент, называют субстратом .

Ферменты – глобулярные белки, по особенностям строения ферменты можно разделить на две группы: простые и сложные. Простые ферменты являются простыми белками, т.е. состоят только из аминокислот. Сложные ферменты являются сложными белками, т.е. в их состав помимо белковой части входит группа небелковой природы - кофактор . У некоторых ферментов в качестве кофакторов выступают витамины. В молекуле фермента выделяют особую часть, называемую активным центром. Активный центр – небольшой участок фермента (от трех до двенадцати аминокислотных остатков), именно в котором происходит связывание субстрата или субстратов с образованием фермент-субстратного комплекса. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукт (продукты) реакции. Некоторые ферменты имеют (кроме активного) аллостерические центры – участки, к которым присоединяются регуляторы скорости работы фермента (аллостерические ферменты ).

Для реакций ферментативного катализа

характерны: 1) высокая эффективность, 2) строгая избирательность и направленность действия, 3) субстратная специфичность, 4) тонкая и точная регуляция.

Субстратную и реакционную специфичность реакций ферментативного катализа объясняют гипотезы Э.Фишера (1890) и Д.Кошланда (1959). Э.Фишер (гипотеза «ключ-замок») предположил, что пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Субстрат сравнивается с "ключом", фермент – с «замком».

Д.Кошланд (гипотеза «рука-перчатка») предположил, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу еще называют гипотезой индуцированного соответствия.

Большинство неорганических катализаторов ускоряют химические реакции при очень высоких температурах, имеют максимальную эффективность в сильнокислой или сильнощелочной среде, при высоких давлениях, а большинство ферментов активны при температурах 35-45˚С, физиологических значениях кислотности раствора и при нормальном атмосферном давлении; скорость ферментативных реакций в десятки тысяч (а иногда и в миллионы раз) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Например, пероксид водорода без катализаторов разлагается медленно: 2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2 . В присутствии солей железа (катализатора) эта реакция идет несколько быстрее. Фермент каталаза (М=252000) за 1 сек. расщепляет 100 тыс. молекул Н 2 О 2 (М=34). Известно более 2000 различных ферментов, представленных белками с высокой молекулярной массой.

Скорость ферментативных реакций зависит от 1) температуры, 2) концентрации фермента, 3) коцентрации субстрата, 4) рН. Следует подчеркнуть, что поскольку ферменты являются белками, то их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях.

Рис. . Зависимость скорости реакции от концентрации фермента, субстрата, рН, температуры
Большинство ферментов может работать только при температуре от 0 о до 40 о С. В этих пределах скорость реакции повышается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°С. При температуре выше 40°С белок подвергается денатурации и активность фермента падает. При температуре, близкой к точке замерзания, ферменты инактивируются.

При увеличении количества молекул субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока не произойдет насыщение активных центров фермента – если активный центр каталазы расщепляет в секунду 100 000 молекул субстрата, то при количестве молекул субстрата более 100 000 на активный центр скорость реакции не возрастет.

Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата.

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, при котором он проявляет максимальную активность (пепсин – 2,0, амилаза слюны – 6,8, липаза поджелудочной железы – 9,0). При более высоких или низких значениях рН активность фермента снижается. При резких сдвигах рН фермент денатурирует.

Скорость работы аллостерических ферментов регулируется веществами, присоединяющимися к аллостерическим центрам. Если эти вещества ускоряют реакцию, они называются активаторами , если тормозят – ингибиторами .

Классификация ферментов . По типу катализируемых химических превращений ферменты разделены на 6 классов: 1) оксиредуктазы (перенос атомов водорода, кислорода или электронов от одного вещества к другому – дегидрогеназа), 2) трансферазы (перенос метильной, ацильной, фосфатной или аминогруппы от одного вещества к другому – трансаминаза), 3) гидролазы (реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта – амилаза, липаза), 4) лиазы (негидролитическое присоединение к субстрату или отщепление от него группы атомов, при этом могут разрываться связи «С-С», «С-N», «С-О», «С-S» – декарбоксилаза), 5) изомеразы (внутримолекулярная перестройка – изомераза), 6) лигазы (соединение двух молекул в результате образования связей «С-С», «С-N», «С-О», «С-S» – синтетаза

    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.


В основе жизнедеятельности клетки лежат биохимические процессы, протекающие на молекулярном уровне и служащие предметом изучения биохимии. Соответственно и явления наследственности и изменчивости тоже связаны с молекулами органических веществ, и в первую очередь с нуклеиновыми кислотами и белками.

Состав белков

Белки представляют собой большие молекулы, состоящие из сотен и тысяч элементарных звеньев - аминокислот. Такие вещества, состоящие из повторяющихся элементарных звеньев - мономеров, называются полимерами. Соответственно белки можно назвать полимерами, мономерами которых служат аминокислоты.

Всего в живой клетке известно 20 видов аминокислот. Название аминокислоты получили из-за содержания в своем составе аминной группы NHy, обладающей основными свойствами, и карбоксильной группы СООН, имеющей кислотные свойства. Все аминокислоты имеют одинаковую группу NH2-СН-СООН и отличаются друг от друга химической группой, называемой радикалом - R. Соединение аминокислот в полимерную цепь происходит благодаря образованию пептидной связи (СО - NH) между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. При этом выделяется молекула воды. Если образовавшаяся полимерная цепь короткая, она называется олигопептидной, если длинная - полипептидной.

Строение белков

При рассмотрении строения белков выделяют первичную, вторичную, третичную структуры.

Первичная структура определяется порядком чередования аминокислот в цепи. Изменение в расположении даже одной аминокислоты ведет к образованию совершенно новой молекулы белка. Число белковых молекул, которое образуется при сочетании 20 разных аминокислот, достигает астрономической цифры.

Если бы большие молекулы (макромолекулы) белка располагались в клетке в вытянутом состоянии, они занимали бы в ней слишком много места, что затруднило бы жизнедеятельность клетки. В связи с этим молекулы белка скручиваются, изгибаются, свертываются в самые различные конфигурации. Так на основе первичной структуры возникает вторичная структура - белковая цепь укладывается в спираль, состоящую из равномерных витков. Соседние витки соединены между собой слабыми водородными связями, которые при многократном повторении придают устойчивость молекулам белков с этой структурой.

Спираль вторичной структуры укладывается в клубок, образуя третичную структуру. Форма клубка у каждого вида белков строго специфична и полностью зависит от первичной структуры, т. е. от порядка расположения аминокислот в цепи. Третичная структура удерживается благодаря множеству слабых электростатических связей: положительно и отрицательно заряженные группы аминокислот притягиваются и сближают даже далеко отстоящие друг от друга участки белковой цепи. Сближаются и иные участки белковой молекулы, несущие, например, гидрофобные (водоотталкивающие) группы.

Некоторые белки, например гемоглобин, состоят из нескольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединяясь вместе, они создают сложный белок, обладающий не только третичной, но и четвертичной структурой (рис. 2).

В структурах белковых молекул наблюдается следующая закономерность: чем выше структурный уровень, тем слабее поддерживающие их химические связи. Связи, образующие четвертичную, третичную, вторичную структуру, крайне чувствительны к физико-химическим условиям среды, температуре, радиации и т. д. Под их воздействием структуры молекул белков разрушаются до первичной - исходной структуры. Такое нарушение природной структуры белковых молекул называется денатурацией. При удалении денатурирующего агента многие белки способны самопроизвольно восстанавливать исходную структуру. Если же природный белок подвергается действию вьюокой температуры или интенсивному действию других факторов, то он необратимо денатурируется. Именно фактом наличия необратимой денатурации белков клеток объясняется невозможность жизни в условиях очень высокой температуры.

Биологическая роль белков в клетке

Белки, называемые также протеинами (греч. протос - первый}, в клетках животных и растений выполняют многообразные и очень важные функции, к которым можно отнести следующие.

Каталитическая. Природные катализаторы - ферменты представляют собой полностью или почти полностью белки. Благодаря ферментам химические процессы в живых тканях ускоряются в сотни тысяч или в миллионы раз. Под их действием все процессы идут мгновенно в «мягких» условиях: при нормальной температуре тела, в нейтральной для живой ткани среде. Быстродействие, точность и избирательность ферментов несопоставимы ни с одним из искусственных катализаторов. Например, одна молекула фермента за одну минуту осуществляет реакцию распада 5 млн. молекул пероксида водорода (Н202). Ферментам характерна избирательность. Так, жиры расщепляются специальным ферментом, который не действует на белки и полисахариды (крахмал, гликоген). В свою очередь, фермент, расщепляющий только крахмал или гликоген, не действует на жиры.

Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет биохимический конвейер.

Считают, что каталитическая функция белков зависит от их третичной структуры, при ее разрушении каталитическая активность фермента исчезает.

Защитная. Некоторые виды белков защищают клетку и в целом организм от попадания в них болезнетворных микроорганизмов и чужеродных тел. Такие белки носят название антител. Антитела связываются с чужеродными для организма белками бактерий и вирусов, что подавляет их размножение. На каждый чужеродный белок организм вырабатывает специальные «антибелки» - антитела. Такой механизм сопротивления возбудителям заболеваний называется иммунитетом.

Чтобы предупредить заболевание, людям и животным вводят ослабленные или убитые возбудители (вакцины), которые не вызывают болезнь, но заставляют специальные клетки организма производить антитела против этих возбудителей. Если через некоторое время болезнетворные вирусы и бактерии попадают в такой организм, они встречают прочный защитный барьер из антител.

Гормональная. Многие гормоны также представляют собой белки. Наряду с нервной системой гормоны управляют работой разных органов (и всего организма) через систему химических реакций.

Отражательная. Белки клетки осуществляют прием сигналов, идущих извне. При этом различные факторы среды (температурный, химический, механический и др.) вызывают изменения в структуре белков - обратимую денатурацию, которая, в свою очередь, способствует возникновению химических реакций, обеспечивающих ответ клетки на внешнее раздражение. Эта способность белков лежит в основе работы нервной системы, мозга.

Двигательная. Все виды движений клетки и организма: мерцание ресничек у простейших, сокращение мышц у высших животных и другие двигательные процессы - производятся особым видом белков.

Энергетическая. Белки могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности организма.

Транспортная. Белок гемоглобин крови способен связывать кислород воздуха и транспортировать его по всему телу. Эта важнейшая функция свойственна и некоторым другим белкам.

Пластическая. Белки - основной строительный материал клеток (их мембран) и организмов (их кровеносных сосудов, нервов, пищеварительного тракта и др.). При этом белки обладают индивидуальной специфичностью, т. е. в организмах отдельных людей содержатся некоторые, характерные лишь для него, белки-

Таким образом, белки - эти важнейший компонент клетки, без которого невозможно проявление свойств жизни. Однако воспроизведение живого, явление наследственности, как мы увидим позже, связано с молекулярными структурами нуклеиновых кислот. Это открытие - результат новейших достижений биологии. Теперь известно, что живая клетка обязательно обладает двумя видами полимеров-белками и нуклеиновыми кислотами. В их взаимодействии заключены самые глубокие стороны явления жизни.


Напечатать

Похожие записи:

Николай пирогов Врач пирогов николай ивановичНиколай пирогов Врач пирогов николай иванович Цитаты о том что важно. Афоризмы о цитатах. Это и есть смыслЦитаты о том что важно. Афоризмы о цитатах. Это и есть смысл огарёва; фгбоу во огарёва; фгбоу во "мгу им Лучшие учебники английского языка для пополнения словарного запасаЛучшие учебники английского языка для пополнения словарного запаса Экзотическая страна австралияЭкзотическая страна австралия
Новые или популярные