Регуляторні білки - хімічна енциклопедія - тлумачні словники та енциклопедії. Регуляторні білки: походження Як називаються ключові регуляторні білки

РЕГУЛЯТОРНІ БІЛКИ(від латів. regulo-приводжу до ладу, налагоджую), група білків, що у регуляції разл. біохім. процесів. Важлива група Р. б., яким присвячена ця стаття,-білки, що взаємодіють з ДНК і управляють експресією генів (вираз гена в ознаках і св-вах організму). Переважна більшість таких Р. б. функціонує лише на рівні транскрипції(Синтез матричних РНК, або мРНК, на ДНК-матриці) і відповідає за активацію або репресію (придушення) синтезу мРНК (соотв. білки-активатори та білки-репресори).

Відомо прибл. 10 репресорів. наиб. вивчені серед них репресори прокаріотів (бактерії, синьо-зелені водорості), що регулюють синтез ферментів, що беруть участь у метаболізмі лактози (lac-репресор) в Escherichia coli (E.coli), і репресор бактеріофага А,. Їхня дія реалізується шляхом зв'язування зі специфіч. ділянками ДНК (операторами) відповідних генів та блокування ініціації транскрипції кодованих цими генами мРНК.

Репресор є зазвичай димером з двох ідентичних поліпептидних ланцюгів, орієнтованих у взаємно протилежних напрямках. Репресори фізично перешкоджають РНК-полімеразіприєднатися до ДНК у промоторній ділянці (місце зв'язування ДНК-залежної РНК-полімерази-ферменту, що каталізує синтез мРНК на ДНК-матриці) та розпочати синтез мРНК. Припускають, що репресор перешкоджає лише ініціації транскрипції та впливає на елонгацію мРНК.

Репресор може контролювати синтез к.-л. одного білка або цілого ряду білків, експресія яких брало носить координований характер. Як правило, це ферменти, які обслуговують один метаболіч. шлях; їх гени входять до складу одного оперону (сукупність пов'язаних між собою генів та прилеглих до них регуляторних ділянок).

багато. репресори можуть існувати як в активній, так і в неактивній формі залежно від того, пов'язані вони чи ні з індукторами або корепресорами (соотв. субстрати, в присут. яких брало специфічно підвищується або знижується швидкість синтезу певного ферменту; див. Регулятори ферментів); ці взаємодії. мають нековалентну природу.

Для ефективної експресії генів необхідно не тільки щоб репресор був інактивований індуктором, але також реалізувався і специфічний. покладе. сигнал включення, який опосередковується Р. б., що працюють "у парі" з циклич. аденозинмонофосфатом (цАМФ). Останній пов'язується зі специфічними Р. б. (т.зв. САР-білок-активатор ката-болітних генів, або білковий активатор катаболізму-БАК). Це димер з мол. м. 45 тис. Після зв'язування з цАМФ він набуває здатності приєднуватися до специфіч. ділянкам на ДНК, різко збільшуючи ефективність транскрипції генів відповідного оперону. У цьому САР впливає швидкість зростання ланцюга мРНК, а контролює стадію ініціації транскрипции-присоединение РНК-полимеразы до промотору. На противагу реп-ресору САР (у комплексі з цАМФ) полегшує зв'язування РНК-полімерази з ДНК і робить акти ініціації транскрипції більш частими. Ділянка приєднання САР до ДНК примикає безпосередньо до промотору з боку, протилежного до того, де локалізований оператор.

Позитивну регуляцію (напр., lac-оперона E.coli) можна описати спрощеною схемою: при зниженні концентрації глюкози (осн. джерела вуглецю) збільшується концентрація цАМФ, який зв'язується з САР, а комплекс, що утворився, з lac-промотором. В результаті стимулюється зв'язування РНК-полімерази з промотором і зростає швидкість транскрипції генів, які кодують ферменти, що дозволяють клітині перемикатися на використання ін. джерела вуглецю-лактози. Існують та ін. спеціальні Р. б. (Напр., Білок С), функціонування яких брало описується більш складною схемою; вони контролюють вузький спектр генів і можуть бути як репресорів, і активаторів.

Репресори та оперон-специфічні активатори не впливають на специфічність самої РНК-полімерази. Цей останній рівень регуляції реалізується у випадках, які передбачають масир. зміна спектра генів, що експресуються. Так, у E.coli гени, що кодують білки теплового шоку, які експресуються при цілій низці стресових станів клітини, зчитуються РНК-полімеразою тільки тоді, коли в її сослав включається особливий Р.б.-т.зв. фактор s 32 . Ціле сімейство цих Р.б. (s-фактори), що змінюють промоторну специфічність РНК-полімерази, виявлені у бацил та ін. Бактерій.

Др. різновид Р.б. змінює каталітич. св-ва РНК-полімерази (т.зв. білки-антитермінатори). Так, у бактеріофага X відомі два таких білки, які модифікують РНК-полімеразу так, що вона не підпорядковується клітинним сигналам термінації (закінчення) транскрипції (це необхідно для активної експресії фагових генів).

Загальна схема генетич. контролю, що включає функціонування Р.б., придатна також до бактерій і клітин еукаріотів (всі організми, за винятком бактерій і синьо-зелених водоростей).

Еукаріотич. клітини реагують на зовніш. сигнали (їм це, напр., гормони) у принципі як і, як бактеріальні клітини реагують зміни концентрації питат. в-в навколишньому середовищі, тобто. шляхом оборотної репресії чи активації (дерепресії) окремих генів. При цьому Р.б., що одночасно контролюють активність великої кількості генів, можуть використовуватися в разл. комбінаціях. Подібна комбінаційна генетич. регуляція може забезпечувати диференціювання. розвиток всього складного багатоклітинного організму завдяки взаємодіям. щодо невеликої кількості ключових Р. б.

У системі регуляції активності генів у еукаріотів є доповнить. рівень, відсутній у бактерій, а саме-переведення всіх нуклеосом (повторюваних субодиниць хроматину),що входять до складу транскрипційної одиниці, активну (деконденсовану) форму в тих клітинах, де даний ген повинен бути функціонально активний. Передбачається, що тут задіяно набір специфічних Р. б., які не мають аналогів у прокаріотів. Ці білки не тільки дізнаються специфічні. ділянки хроматину (або. ДНК), а також викликиють певні структурні зміни в прилеглих областях. Р.б., подібні до активаторів і репресорів бактерій, мабуть, беруть участь у регуляції наступної транскрипції окремих генів в районах активір. хроматину.

Великий клас Р.б. еукаріот-Реєпторні білкистероїдних гормонів.

Амінокислотна послідовність Р.б. кодується т.зв. регуляторними генами. Мутаційна інактивація репресора призводить до неконтрольованого синтезу мРНК і, отже, певного білка (в результаті транс-ляції-синтезу білка на мРНК-матриці). Такі організми зв. конститутивними мутантами. Втрата в результаті мутації активатора призводить до стійкого зниження синтезу білка, що регулюється.

Літ.:Страйєр Л., Біохімія, пров. з англ., т. 3, М., 1985, с. 112-25.

П.Л.Іванов.

G-білки -універсальні посередники, що передають сигнал від рецепторів до ферментів клітинних мембран.

В даний час відомо більше 50 G-білків:

· Gs-білок активує аденілатциклазу . Маса 80000-90000Так.

· Gi-білок інгібує аденілатциклазу . Маса 80000-90000Так. Через рецептор активується соматостатином.

· Gq-білок активує фосфоліпазу С .

· G-білки впливають на активність фосфодіестерази , фосфоліпази А 2 , деякі типи Са 2+ - та K + -каналів .

· G-білки також забезпечують передачу сигналу в сенсорних клітинах (фоторецепторних, нюхових та смакових): Світло → родопсин → Gt → ФДЕ цГМФ → (цГМФ → ГМФ)

G-білки олігомери складаються з 3 субодиниць α, β, γ.

β-субодиниці (35000 Так) у Gs-і Gi-білків однакові.

α-субодиниці (41000 Так у Gi, 45000 Так у Gs) кодуються різними генами і забезпечують специфічну відповідь (“+” або “-”).

STATбілки.

Кінець роботи -

Ця тема належить розділу:

Курс лекцій із загальної біохімії

Гоувпо угма федерального агентства з охорони здоров'я та соціального розвитку.. кафедра біохімії.

Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Твітнути

Всі теми цього розділу:

ЛЕКЦІЯ №1
Тема: Введення у біохімію. Ферменти: будова, властивості, локалізація, номенклатура та класифікація Факультети: лікувально-профілактичний, медико-профілактичний, педіатрич

Порівняння каталітичної дії ферментів та неорганічних каталізаторів
Подібність ферментів та неорганічних каталізаторів Відмінність ферментів від неорганічних каталізаторів 1. Прискорюють лише термодинами

Будова ферментів
Метаболіт – речовина, яка бере участь у метаболічних процесах. Субстрат - речовина, яка вступає в хімічну реакцію. Пр

Оксидоредуктази
Каталізують окисно-відновні реакції. У реакцію вступають 2 речовини і 2 утворюються, одна окислюється, інша відновлюється: Sвост + S'окисл ↔ S'вост + Sокисл Оксидо

Трансферази
Ферменти цього класу беруть участь у перенесенні атомних груп, молекулярних залишків від однієї сполуки до іншої. У реакцію вступають 2 речовини і 2 утворюються: S-G + S'↔ S + S'-G.

Ізомерази
Взаємоперетворення оптичних, геометричних, позиційних ізомерів. У реакцію вступає 1 речовина та 1 утворюється. Виходячи з типу каталізованої реакції ізомеризації виділяється кілька підкласів:

Лігази (синтетази)
З'єднання 2 молекул з використанням енергії макроергічних сполук (АТФ та ін). У реакцію вступають 3 речовини, утворюється 3 речовини. Систематична назва субстрат: суб

Їх ролі у регуляції активності ферментів
Факультети: лікувально-профілактичний, медико-профілактичний, педіатричний. 2 курс. Однією з найважливіших властивостей живих організмів є здатність до підтримання

Алостеричне регулювання каталітичної активності ферментів
Алостеричними ферментами називають ферменти, активність яких регулюється оборотним нековалентним приєднанням модулятора (активатора та інгібітора) до алостеричного центру. Інгібіторами ал

Механізми регуляції кількості ферментів
Кількість ферментів у клітині залежить від швидкості їх синтезу та розпаду. Синтез ферментів регулюється індукторами та репресорами. Як індуктори і репресори виступають деякі ме

Клітинна сигналізація
У багатоклітинних організмах підтримку гомеостазу забезпечують 3 системи: 1). нервова, 2). гуморальна, 3). імунна. Регуляторні системи функціонують за участю сигнальних мовляв

Участь рецепторів у трансмембранній передачі сигналу
вторинні посередники:

Вторинні посередники (месенджери)
Месенджери – низькомолекулярні речовини, які переносять сигнали гормонів усередині клітини. Вони мають високу швидкість переміщення, розщеплення або видалення (Са2+, цАМ

Аденілатциклаза (АЦ)
Глікопротеїн з масою від 120 до 150 кДа, має 8 ізоформ, ключовий фермент аденілатциклазної системи, Mg2+ каталізує утворення вторинного посередника цАМФ з АТФ. АЦ содер

Протеїнкіназа А (ПК А)
ПК А є у всіх клітинах, що каталізують реакцію фосфорилювання ОН-груп серину та треоніну регуляторних білків і ферментів, бере участь в аденілатциклазній системі, стимулюється цАМФ. ПК А складається

Фосфодіестерази (ФДЕ)
ФДЕ перетворює цАМФ та цГМФ на АМФ та ГМФ, інактивуючи аденілатциклазну та гуанілатциклазну систему. ФДЕ активується Са2+, 4Са2+-кальмодуліном, цГМФ. NO-синтаз

Дія NO
NO - низькомолекулярний газ, легко проникає через клітинні мембрани та компоненти міжклітинної речовини, має високу реакційну здатність, час її напіврозпаду в середньому не більше 5 с,

1). 1 Гормон (Г) приєднується до Rs-рецептора з утворенням гормон-рецепторного комплексу, який через кілька Gs-білків активує кілька аденілатциклаз (комплекс гормон-Ri-рецептор через

Послідовність подій, що призводять до каталітичної активації ферментів
1). Гормон (Г) приєднується до R-рецептора з утворенням гормон-рецепторного комплексу, який через G-білок активує фосфоліпазу; 2). Фосфоліпаза С розщеплює фосфатидилінозитол-4,

Послідовність подій, що призводять до каталітичної активації ферментів
1). Гуанілатциклазна система функціонує в легенях, нирках, кишечнику, серці, надниркових залозах, ендотелії кишечнику, сітківці та ін. Вона бере участь у регуляції водно-сольового.

Цитоплазматичних та ядерних рецепторів
Через цитоплазматичні та ядерні рецептори діють кортикоїди, статеві

ЛЕКЦІЯ №3
Тема: Медична ензимологія Факультети: лікувально-профілактичний, медико-профілактичний, педіатричний. 2 курс. Ензимологія – е

Спадкові ензимопатії
Спадкові ензімопатії – це захворювання, спричинені спадковими порушеннями біосинтезу ферментів або їх структури та функції. В нормі:

Набуті ензимопатії
Набуті ензімопатії поділяються на: аліментарні, токсичні та спричинені різними патологічними станами організму. а). Аліментарні ензімопатії – це хвороба

Визначення активності органо-, органеллоспецифічних ферментів та їх ізоферментів
Визначення в біологічних рідинах активності ферментів та його ізоферментів дозволяє встановити локалізацію патологічного процесу, його стадію, вираженість, і навіть ефективність його лікування.

Ензимотерапія
Ензімотерапія - застосування ферментів тваринного, бактеріального або рослинного походження та регуляторів активності ферментів з лікувальною метою. Впровадження ферментні

Зміст статті

БІЛКИ (стаття 1)- Клас біологічних полімерів, присутніх у кожному живому організмі. За участю білків проходять основні процеси, що забезпечують життєдіяльність організму: дихання, травлення, скорочення м'язів, передача нервових імпульсів. Кісткова тканина, шкірний, волосяний покрив, рогові утворення живих істот складаються з білків. Для більшості ссавців зростання та розвиток організму відбувається за рахунок продуктів, що містять білки як харчовий компонент. Роль білків в організмі і, відповідно, їхня будова дуже різноманітна.

склад білків.

Всі білки є полімерами, ланцюги яких зібрані з фрагментів амінокислот. Амінокислоти - це органічні сполуки, що містять у своєму складі (відповідно до назви) аміногрупу NH 2 і органічну кислотну, тобто. карбоксильну, групу СООН. З усього різноманіття існуючих амінокислот (теоретично кількість можливих амінокислот необмежено) в освіті білків беруть участь лише такі, у яких між аміногрупою та карбоксильною групою – лише один вуглецевий атом. У загальному вигляді амінокислоти, що беруть участь у освіті білків, можуть бути представлені формулою: H 2 N-CH(R)-COOH. Група R, приєднана до атома вуглецю (тому, що знаходиться між аміно-і карбоксильною групою), визначає різницю між амінокислотами, що утворюють білки. Ця група може складатися тільки з атомів вуглецю і водню, але частіше містить, крім С і Н, різні функціональні (здатні до подальших перетворень) групи, наприклад, HO-, H 2 N- та ін. Існує також варіант, коли R = Н.

В організмах живих істот міститься понад 100 різних амінокислот, проте, у будівництві білків використовуються не всі, а лише 20 так званих «фундаментальних». У табл. 1 наведено їх назви (більшість назв склалося історично), структурна формула, а також скорочене позначення, що широко застосовується. Усі структурні формули перебувають у таблиці в такий спосіб, щоб основний фрагмент амінокислоти перебував праворуч.

Таблиця 1. амінокислоти, що беруть участь у створенні білків

Назва	Структура	Позначення
ГЛІЦІН		ГЛІ
АЛАНІН		АЛА
ВАЛІН		ВАЛ
Лейцин		ЛЕЙ
ІЗОЛЕЙЦИН		АЛЕ
СЕРІН		СЕР
ТРЕОНІН		ТРЕ
ЦИСТЕЇН		ЦІС
МЕТІОНІН		МЕТ
ЛІЗИН		ЛІЗ
Аргінін		АРГ
АСПАРАГІНОВА КИСЛОТА		АСН
АСПАРАГІН		АСН
ГЛУТАМІНОВА КИСЛОТА		ГЛУ
ГЛУТАМІН		ГЛН
Фенілаланін		ФЕН
ТИРОЗИН		ТІР
ТРИПТОФАН		ТРИ
Гістидін		ГІС
ПРОЛІН		ПРО
У міжнародній практиці прийнято скорочене позначення перерахованих амінокислот за допомогою латинських трилітерних або однолітерних скорочень, наприклад, гліцин – Gly або G, аланін – Ala або A.

Серед цих двадцяти амінокислот (табл. 1) лише пролін містить поряд з карбоксильною групою СООН групу NH (замість NH 2), оскільки вона входить до складу циклічного фрагмента.

Вісім амінокислот (валін, лейцин, ізолейцин, треонін, метіонін, лізин, фенілаланін і триптофан), поміщені в таблиці на сірому фоні, називають незамінними, оскільки організм для нормального росту та розвитку повинен постійно отримувати їх з білковою їжею.

Білкова молекула утворюється в результаті послідовного з'єднання амінокислот, при цьому карбоксильна група однієї кислоти взаємодіє з аміногрупою сусідньої молекули, в результаті утворюється пептидна зв'язок -CO-NH-і виділяється молекула води. На рис. 1 показано послідовне з'єднання аланіну, валіну та гліцину.

Рис. 1 НАСЛІДНЕ З'ЄДНАННЯ АМІНОКИСЛОТпри утворенні білкової молекули. Як основний напрямок полімерного ланцюга обраний шлях від кінцевої аміногрупи H 2 N до кінцевої карбоксильної групи COOH.

Щоб компактно описати будову білкової молекули, використовують скорочені позначення амінокислот (табл. 1, третій стовпець), що у освіті полімерної ланцюга. Фрагмент молекули показаний на рис. 1, записують наступним чином: H 2 N-АЛА-ВАЛ-ГЛІ-COOH.

Білкові молекули містять від 50 до 1500 амінокислотних залишків (короткіші ланцюги називають поліпептидами). Індивідуальність білка визначається набором амінокислот, з яких складено полімерний ланцюг і, що не менш важливо, порядком чергування їх уздовж ланцюга. Наприклад, молекула інсуліну складається з 51 амінокислотного залишку (це один з найбільш коротколанцюгових білків) і являє собою дві з'єднані між собою паралельні ланцюги неоднакової довжини. Порядок чергування амінокислотних фрагментів показано на рис. 2.

Рис. 2 МОЛЕКУЛА ІНСУЛІНУ, Збудована з 51 амінокислотного залишку, фрагменти однакових амінокислот відзначені відповідним забарвленням фону. Залишки амінокислоти цистеїну (скорочене позначення ЦІС), що містяться в ланцюзі, утворюють дисульфідні містки –S-S-, які пов'язують дві полімерні молекули, або утворюють перемички всередині одного ланцюга.

Молекули амінокислоти цистеїну (табл. 1) містять реакційно-здатні сульфгідридні групи -SH, які взаємодіють між собою, утворюючи дисульфідні містки -S-S-. Роль цистеїну у світі білків особлива, за його участю утворюються поперечні зшивки між полімерними білковими молекулами.

Об'єднання амінокислот у полімерний ланцюг відбувається в живому організмі під управлінням нуклеїнових кислот, саме вони забезпечують строгий порядок збирання та регулюють фіксовану довжину полімерної молекули ( см. Нуклеїнові кислоти).

Структура білків.

Склад білкової молекули, представлений у вигляді залишків амінокислот, що чергуються (рис. 2), називають первинною структурою білка. Між присутніми в полімерному ланцюгу іміно-групами HN і карбонільними групами CO виникають водневі зв'язки ( см. Водневий зв'язок), в результаті молекула білка набуває певної просторової форми, яка називається вторинною структурою. Найбільш поширені два типи вторинної структури білків.

Перший варіант, званий α-спіраллю, реалізується за допомогою водневих зв'язків усередині однієї полімерної молекули. Геометричні параметри молекули, що визначаються довжинами зв'язків і валентними кутами, такі, що утворення водневих зв'язків виявляється можливим для груп H-N і C=O, між якими знаходяться два пептидні фрагменти H-N-C=O (рис. 3).

Склад поліпептидного ланцюга, показаного на рис. 3, записують у скороченому вигляді наступним чином:

H 2 N-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-COOH.

В результаті стягуючої дії водневих зв'язків молекула набуває форми спіралі - так звана α-спіраль, її зображують у вигляді вигнутої спіралеподібної стрічки, що проходить через атоми, що утворюють полімерний ланцюг (рис. 4)

Рис. 4 ОБ'ЄМНА МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛИ БІЛКУу формі α-спіралі. Водневі зв'язки зображені зеленими пунктирними лініями. Циліндрична форма спіралі видно при певному куті повороту (атоми водню малюнку не показані). Забарвлення окремих атомів дане відповідно до міжнародних правил, які рекомендують для атомів вуглецю чорний колір, для азоту – синій, для кисню – червоний, для сірки – жовтий колір (для не показаних на малюнку атомів водню рекомендовано білий колір, у цьому випадку всю структуру зображують на темному тлі).

Інший варіант вторинної структури, званий -структурою, утворюється також за участю водневих зв'язків, відмінність полягає в тому, що взаємодіють групи H-N і C=O двох або більше полімерних ланцюгів, розташованих паралельно. Оскільки поліпептидний ланцюг має напрямок (рис. 1), можливі варіанти, коли напрямок ланцюгів збігається (паралельна β-структура, рис. 5), або вони протилежні (антипаралельна β-структура, рис. 6).

В утворенні β-структури можуть брати участь полімерні ланцюги різного складу, при цьому органічні групи, що обрамляють полімерний ланцюг (Ph, CH 2 ВІН та ін), у більшості випадків відіграють другорядну роль, вирішальне значення має взаєморозташування груп H-N і C=O. Оскільки щодо полімерного ланцюга H-N і C=O групи спрямовані різні сторони (на малюнку – вгору і вниз), стає можливою одночасна взаємодія трьох і більше ланцюгів.

Склад першого поліпептидного ланцюга на рис. 5:

H 2 N-ЛЕЙ-АЛА-ФЕН-ГЛІ-АЛА-АЛА-COOH

Склад другого та третього ланцюга:

H 2 N-ГЛІ-АЛА-СЕР-ГЛІ-ТРЕ-АЛА-COOH

Склад поліпептидних ланцюгів, показаних на рис. 6, той самий, що і на рис. 5, відмінність у тому, що другий ланцюг має протилежний (порівняно з рис. 5) напрямок.

Можливе утворення β-структури всередині однієї молекули, коли фрагмент ланцюга на певній ділянці виявляється повернутим на 180°, у цьому випадку дві гілки однієї молекули мають протилежний напрямок, внаслідок чого утворюється антипаралельна β-структура (рис. 7).

Структура показана на рис. 7 у плоскому зображенні, представлена ​​на рис. 8 у вигляді об'ємної моделі. Ділянки β-структури прийнято спрощено позначати плоскою хвилястою стрічкою, яка проходить через атоми, що утворюють полімерний ланцюг.

У структурі багатьох білків чергуються ділянки α-спіралі та стрічкоподібні β-структури, а також поодинокі поліпептидні ланцюги. Їхнє взаєморозташування та чергування в полімерному ланцюгу називають третинною структурою білка.

Способи зображення структури білків показані на прикладі рослинного білка крамбіна. Структурні формули білків, що містять часто до сотні амінокислотних фрагментів, складні, громіздкі та важкі для сприйняття, тому іноді використовують спрощені структурні формули – без символів хімічних елементів (рис. 9, варіант А), але при цьому зберігають забарвлення валентних штрихів відповідно до міжнародних правилами (рис. 4). Формулу у своїй представляють над плоскому, а просторовому зображенні, що відповідає реальної структурі молекули. Такий спосіб дозволяє, наприклад, розрізнити дисульфідні містки (подібні до тих, які є в інсуліні, рис. 2), фенільні групи в бічному обрамленні ланцюга та ін. 9, варіант Б). Однак обидва способи не дозволяють показати третинну структуру, тому американський біофізик Джейн Річардсон запропонував зображати α-структури у вигляді спірально закручених стрічок (див. рис. 4), β-структури – у вигляді плоских хвилястих стрічок (рис. 8), а ті, що їх з'єднують. одиночні ланцюги - у формі тонких джгутів, кожен тип структури має своє забарвлення. Зараз широко застосовують такий спосіб зображення третинної структури білка (рис. 9, варіант). Іноді більшої інформативності показують спільно третинну структуру і спрощену структурну формулу (рис. 9, варіант Р). Є й модифікації способу, запропонованого Річардсоном: α-спіралі зображують у вигляді циліндрів, а β-структури – у формі плоских стрілок, що вказують напрямок ланцюга (рис. 9, варіант Д). Менш поширений спосіб, при якому всю молекулу зображують у вигляді джгута, де неоднакові структури виділяють забарвленням, а дисульфідні містки показують у вигляді жовтих перемичок (рис. 9, варіант Д).

Найбільш зручний для сприйняття варіант, коли при зображенні третинної структури особливості будови білка (амінокислотні фрагменти, порядок їх чергування, водневі зв'язки) не вказують, при цьому виходять з того, що всі білки містять «деталі», взяті зі стандартного набору двадцяти амінокислот ( Таблиця 1). Основне завдання при зображенні третинної структури – показати просторове розташування та чергування вторинних структур.

Рис. 9 РІЗНІ ВАРІАНТИ ЗОБРАЖЕННЯ СТРУКТУРИ БІЛКУ КРАМБІНУ.
А - структурна формула в просторовому зображенні.
Б – структура як об'ємної моделі.
В – третинна структура молекули.
Г – поєднання варіантів А та В.
Д – спрощене зображення третинної структури.
Е – третинна структура з дисульфідними містками.

Найбільш зручна для сприйняття об'ємна третинна структура (варіант), звільнена від деталей структурної формули.

Білкова молекула, що має третинну структуру, як правило, приймає певну конфігурацію, яку формують полярні (електростатичні) взаємодії та водневі зв'язки. В результаті молекула набуває форми компактного клубка - глобулярні білки (globules, лат. кульку), або ниткоподібну - фібрилярні білки (fibra, лат. волокно).

Приклад глобулярної структури – білок альбумін, класу альбумінів відносять білок курячого яйця. Полімерний ланцюг альбуміну зібраний, в основному, з аланіну, аспаргінової кислоти, гліцину, і цистеїну, що чергуються в певному порядку. Третинна структура містить α-спіралі, з'єднані одиночними ланцюгами (рис. 10).

Рис. 10 ГЛОБУЛЯРНА СТРУКТУРА АЛЬБУМІНУ

Приклад фібрилярної структури – фіброїн білок. Він містить велику кількість залишків гліцину, аланіну та серину (кожен другий амінокислотний залишок – гліцин); залишки цистеїну, що містить сульфгідридні групи, відсутні. Фіброїн – основний компонент натурального шовку та павутини, що містить β-структури, з'єднані одиночними ланцюгами (рис. 11).

Рис. 11 ФІБРИЛЯРНИЙ БІЛОК ФІБРОЇН

Можливість утворення третинної структури певного типу закладена первинної структурі білка, тобто. визначена заздалегідь порядком чергування амінокислотних залишків. З певних наборів таких залишків переважно виникають α-спіралі (подібних наборів є досить багато), інший набір призводить до появи β-структур, одиночні ланцюги характеризуються своїм складом.

Деякі білкові молекули, зберігаючи третинну структуру, здатні об'єднуватися у великі надмолекулярні агрегати, у своїй їх утримують разом полярні взаємодії, і навіть водневі зв'язку. Такі утворення називають четвертинною структурою білка. Наприклад, білок феритин, що складається в основній масі з лейцину, глутамінової кислоти, аспарагінової кислоти та гістидину (у ферицині є в різній кількості всі 20 амінокислотних залишків) утворює третинну структуру з чотирьох паралельно покладених α-спіралей. При об'єднанні молекул у єдиний ансамбль (рис. 12) утворюється четвертинна структура, до якої може входити до 24 молекул феритину.

Рис.12 ОСВІТА ЧЕТВЕРТИЧНОЇ СТРУКТУРИ ГЛОБУЛЯРНОГО БІЛКУ ФЕРРИТИНУ

Інший приклад надмолекулярних утворень – структура колагену. Це фібрилярний білок, ланцюги якого побудовані переважно з гліцину, що чергується з проліном і лізином. Структура містить одиночні ланцюги, потрійні α-спіралі, що чергуються зі стрічкоподібними β-структурами, покладеними у вигляді паралельних пучків (рис. 13).

Рис.13 НАДМОЛЕКУЛЯРНА СТРУКТУРА ФІБРИЛЯРНОГО БІЛКУ КОЛАГЕНУ

Хімічні властивості білків.

При дії органічних розчинників, продуктів життєдіяльності деяких бактерій (молочнокисле бродіння) або при підвищенні температури відбувається руйнування вторинних та третинних структур без ушкодження його первинної структури, внаслідок чого білок втрачає розчинність та втрачає біологічну активність, цей процес називають денатурацією, тобто втратою натуральних властивостей, наприклад, сотвораживание кислого молока, згорнутий білок вареного курячого яйця. За підвищеної температури білки живих організмів (зокрема, мікроорганізмів) швидко денатурують. Такі білки не здатні брати участь у біологічних процесах, внаслідок чого мікроорганізми гинуть, тому кип'ячене (або пастеризоване) молоко може довше зберігатися.

Пептидні зв'язки H-N-C=O, що утворюють полімерний ланцюг білкової молекули, у присутності кислот або лугів гідролізуються, при цьому відбувається розрив полімерного ланцюга, що, зрештою, може призвести до вихідних амінокислот. Пептидні зв'язки, що входять до складу α-спіралей або β-структур, більш стійкі до гідролізу та різних хімічних впливів (порівняно з тими самими зв'язками в одиночних ланцюгах). Більш делікатне розбирання білкової молекули на складові амінокислоти проводять у безводному середовищі за допомогою гідразину H 2 N-NH 2 при цьому всі амінокислотні фрагменти, крім останнього, утворюють так звані гідразиди карбонових кислот, що містять фрагмент C(O)-HN-NH 2 14).

Рис. 14. Розщеплення поліпептид

Подібний аналіз може дати інформацію про амінокислотний склад того чи іншого білка, проте важливіше знати їх послідовність у білковій молекулі. Одна з широко застосовуваних для цієї мети методик - дія на поліпептидний ланцюг фенілізотіоціанату (ФІТЦ), який у лужному середовищі приєднується до поліпептиду (з того кінця, який містить аміногрупу), а при зміні реакції середовища на кислу, від'єднується від ланцюга, забираючи з собою фрагмент однієї амінокислоти (рис. 15).

Рис. 15 НАСЛІДНЕ РОЗЩЕПЛЕННЯ ПОЛІПЕПТИДУ

Розроблено багато спеціальних методик для такого аналізу, у тому числі й такі, що починають «розбирати» білкову молекулу на складові компоненти, починаючи з карбоксильного кінця.

Поперечні дисульфідні містки S-S (що утворилися при взаємодії залишків цистеїну, рис. 2 і 9) розщеплюють, перетворюючи їх на HS-групи дією різних відновників. Дія окислювачів (кисню або перекису водню) призводить знову до утворення дисульфідних містків (рис. 16).

Рис. 16. РОЗЩЕПЛЕННЯ ДИСУЛЬФІДНИХ МОСТИКІВ

Для створення додаткових поперечних зшивок у білках використовують реакційну здатність аміно- та карбоксильних груп. Більш доступні для різних взаємодій аміногрупи, що знаходяться у бічному обрамленні ланцюга – фрагменти лізину, аспарагіну, лізину, проліну (табл. 1). При взаємодії таких аміногруп з формальдегідом відбувається процес конденсації та виникають поперечні містки – NH–CH2–NH– (рис. 17).

Рис. 17 СТВОРЕННЯ ДОДАТКОВИХ ПОПЕРЕЧНИХ МОСТИКІВ МІЖ МОЛЕКУЛАМИ БІЛКУ.

Кінцеві карбоксильні групи білка здатні реагувати з комплексними сполуками деяких полівалентних металів (частіше застосовують сполуки хрому), при цьому виникають також поперечні зшивки. Обидва процеси використовуються при дубленні шкіри.

Роль білків у організмі.

Роль білків в організмі різноманітна.

Ферменти(fermentatio лат. – бродіння), інша їхня назва – ензими (en zumh грець. – у дріжджах) – це білки, що мають каталітичну активність, вони здатні збільшувати швидкості біохімічних процесів у тисячі разів. Під впливом ферментів складові компоненти їжі: білки, жири і вуглеводи – розщеплюються до простих сполук, у тому числі синтезуються нові макромолекули, необхідні організму певного типу. Ферменти беруть участь у багатьох біохімічних процесах синтезу, наприклад, у синтезі білків (одні білки допомагають синтезувати інші). Див. ФЕРМЕНТИ

Ферменти як високоефективні каталізатори, а й селективні (направляють реакцію суворо у заданому напрямі). У їх присутності реакція проходить практично зі 100% виходом без утворення побічних продуктів і при цьому умови протікання - м'які: звичайний атмосферний тиск і температура живого організму. Для порівняння, синтез аміаку з водню та азоту в присутності каталізатора - активованого заліза - проводять при 400-500 ° С і тиску 30 МПа, вихід аміаку 15-25% за один цикл. Ферменти вважаються неперевершеними каталізаторами.

Інтенсивне дослідження ферментів почалося в середині 19 ст, зараз вивчено понад 2000 різних ферментів, це найрізноманітніший клас білків.

Назви ферментів складають наступним чином: до найменування реагенту, з яким взаємодіє фермент, або до назви реакції, що каталізується, додають закінчення -аза, наприклад, аргіназа розкладає аргінін (табл. 1), декарбоксилаза каталізує декарбоксилювання, тобто. відщеплення 2 від карбоксильної групи:

- СООН → - СН + СО 2

Часто для більш точного позначення ролі ферменту в його назві вказують і об'єкт, і тип реакції, наприклад, алкогольдегідрогеназу - фермент, що здійснює дегідрування спиртів.

Для деяких ферментів, відкритих досить давно, збереглася історична назва (без закінчення аза), наприклад, пепсин (pepsis, грець. травлення) та трипсин (thrypsis грець. розрідження), ці ферменти розщеплюють білки.

Для систематизації ферменти об'єднують у великі класи, основою класифікації покладено тип реакції, класи називають за загальним принципом – назва реакції і закінчення – аза. Далі перелічені деякі з таких класів.

Оксидоредуктази- Ферменти, що каталізують окислювально-відновні реакції. Дегідрогенази, що входять до цього класу, здійснюють перенесення протона, наприклад алкогольдегідрогеназу (АДГ) окислює спирти до альдегідів, подальше окислення альдегідів до карбонових кислот каталізують альдегіддегідрогенази (АЛДГ). Обидва процеси відбуваються в організмі при переробці етанолу в оцтову кислоту (рис. 18).

Рис. 18 ДВОХСТАДІЙНИЙ ОКИСНЕННЯ ЕТАНОЛУдо оцтової кислоти

Наркотичною дією володіє не етанол, а проміжний продукт ацетальдегіду, чим нижча активність ферменту АЛДГ, тим повільніше проходить друга стадія – окислення ацетальдегіду до оцтової кислоти і тим довше і сильніше проявляється п'янка від прийому внутрішньо етанолу. Аналіз показав, що більш ніж у 80% представників жовтої раси щодо низька активність АЛДГ і тому помітно тяжча переносимість алкоголю. Причина такої вродженої зниженої активності АЛДГ полягає в тому, що частина залишків глутамінової кислоти в молекулі ослабленої АЛДГ замінена фрагментами лізину (табл. 1).

Трансферази- ферменти, що каталізують перенесення функціональних груп, наприклад, трансіміназ каталізує переміщення аміногрупи.

Гідролази- Ферменти, що каталізують гідроліз. Згадані раніше трипсин та пепсин здійснюють гідроліз пептидних зв'язків, а ліпази розщеплюють складноефірний зв'язок у жирах:

-RС(О)ОR 1 +Н 2 О → -RС(О)ОН + НОR 1

Ліази- ферменти, що каталізують реакції, які проходять не гідролітичним шляхом, в результаті таких реакцій відбувається розрив зв'язків С-С, С-О, С-N та утворення нових зв'язків. Фермент декарбоксилазу належить до цього класу

Ізомерази– ферменти, що каталізують ізомеризацію, наприклад, перетворення малеїнової кислоти на фумарову (рис. 19), це приклад цис – транс ізомеризації (див. ІЗОМЕРІЯ).

Рис. 19. ІЗОМЕРІЗАЦІЯ МАЛЕЇНОВОЇ КИСЛОТИу фумарову у присутності ферменту.

У роботі ферментів дотримується загальний принцип, відповідно до якого завжди є структурна відповідність ферменту і реагенту реакції, що прискорюється. За образним виразом одного із засновників вчення про ферменти Е.Фішера, реагент підходить до ферменту, як ключ до замку. У зв'язку з цим, кожен фермент каталізує певну хімічну реакцію або групу реакцій одного типу. Іноді фермент може діяти на одну єдину сполуку, наприклад, уреазу (uron грець. – сеча) каталізує лише гідроліз сечовини:

(H 2 N) 2 C = O + H 2 O = CO 2 + 2NH 3

Найбільш тонку вибірковість виявляють ферменти, що розрізняють оптично активні антиподи – ліво- та правообертальні ізомери. L-аргіназа діє тільки на лівообертальний аргінін і не зачіпає правообертальний ізомер. L-лактатдегідрогеназа діє тільки на лівообертаючі ефіри молочної кислоти, так звані лактати (lactis лат. молоко), у той час як D-лактатдегідрогеназа розщеплює виключно D-лактати.

Більшість ферментів діє не так на одне, але в групу родинних сполук, наприклад, трипсин «воліє» розщеплювати пептидні зв'язку утворені лізином і аргиніном (табл. 1.)

Каталітичні властивості деяких ферментів, таких як гідролази, визначаються виключно будовою самої білкової молекули, інший клас ферментів - оксидоредуктази (наприклад, алкогольдегідрогеназу) можуть проявляти активність тільки в присутності пов'язаних з ними небілкових молекул - вітамінів, що активують іонів Mg, Са, Zn, Мn і фрагментів нуклеїнових кислот (рис. 20).

Рис. 20 МОЛЕКУЛА АЛКОГОЛЬДЕГІДРОГЕНАЗИ

Транспортні білки пов'язують і переносять різні молекули або іони через мембрани клітин (як усередину клітини, так і назовні), а також від одного органу до іншого.

Наприклад, гемоглобін зв'язує кисень при проходженні крові через легені і доставляє його до різних тканин організму, де кисень вивільняється і потім використовується для окислення компонентів їжі, цей процес є джерелом енергії (іноді вживають термін «спалювання» харчових продуктів в організмі).

Крім білкової частини, гемоглобін містить комплексне з'єднання заліза з циклічною молекулою порфірином (porphyros). грець. - пурпур), що і обумовлює червоний колір крові. Саме цей комплекс (рис. 21, ліворуч) відіграє роль переносника кисню. У гемоглобіні порфіриновий комплекс заліза розташовується всередині білкової молекули та утримується за допомогою полярних взаємодій, а також координаційного зв'язку з азотом у гістидині (табл. 1), що входить до складу білка. Молекула О2, яку переносить гемоглобін, приєднується за допомогою координаційного зв'язку до атома заліза з боку, протилежного до тієї, до якої приєднаний гістидин (рис. 21, праворуч).

Рис. 21 БУДОВА КОМПЛЕКСУ ЗАЛІЗУ

Справа показано будову комплексу у формі об'ємної моделі. Комплекс утримується в білковій молекулі за допомогою координаційного зв'язку (синій пунктир) між атомом Fe та атомом N у гістидині, що входить до складу білка. Молекула О2, яку переносить гемоглобін, приєднана координаційно (червоний пунктир) до атома Fe з протилежної країни плоского комплексу.

Гемоглобін - один з найбільш докладно вивчених білків, він складається з a-спіралей, з'єднаних одиночними ланцюгами, і містить у своєму складі чотири комплекси заліза. Таким чином, гемоглобін являє собою об'ємну упаковку для перенесення відразу чотирьох молекул кисню. За формою гемоглобін відповідає глобулярним білкам (рис. 22).

Рис. 22 ГЛОБУЛЯРНА ФОРМА ГЕМОГЛОБИНУ

Основне «гідність» гемоглобіну полягає в тому, що приєднання кисню та подальше його відщеплення при передачі різним тканинам та органам проходить швидко. Монооксид вуглецю, СО (чадний газ), зв'язується з Fe в гемоглобіні ще швидше, але, на відміну від О 2 , утворює комплекс, що важко руйнується. В результаті такий гемоглобін не здатний пов'язувати Про 2, що призводить (при вдиханні великих кількостей чадного газу) до загибелі організму від ядухи.

Друга функція гемоглобіну – перенесення СО 2 , що видихається, але в процесі тимчасового зв'язування вуглекислоти бере участь не атом заліза, а H 2 N-групи білка.

«Працездатність» білків залежить від їх будови, наприклад, заміна єдиного амінокислотного залишку глутамінової кислоти в поліпептидному ланцюзі гемоглобіну на залишок валіну (зрідка спостерігається вроджена аномалія) призводить до захворювання, званого серповидноклітинна анемія.

Існують також транспортні білки, здатні зв'язувати жири, глюкозу, амінокислоти та переносити їх як усередину, так і поза клітин.

Транспортні білки особливого типу не переносять самі речовини, а виконують функції транспортного регулювальника, пропускаючи певні речовини крізь мембрану (зовнішню стінку клітини). Такі білки найчастіше називають мембранними. Вони мають форму пустотілого циліндра і, вбудовуючись у стінку мембрани, забезпечують переміщення деяких полярних молекул або іонів усередину клітини. Приклад мембранного білка – порин (рис. 23).

Рис. 23 БІЛОК ПОРІН

Харчові та запасні білки, як випливає з назви, є джерелами внутрішнього харчування, частіше для зародків рослин і тварин, а також на ранніх стадіях розвитку молодих організмів. До харчових білків відносять альбумін (рис. 10) – основний компонент яєчного білка, а також казеїн – головний білок молока. Під дією ферменту пепсину казеїн у шлунку створюється, це забезпечує його затримку в травному тракті та ефективне засвоєння. Казеїн містить фрагменти всіх амінокислот, необхідні організму.

У феритині (рис. 12), що міститься у тканинах тварин, запасені іони заліза.

До запасних білків відносять також міоглобін, що за складом і будовою нагадує гемоглобін. Міоглобін зосереджений головним чином у м'язах, його основна роль – зберігання кисню, який йому віддає гемоглобін. Він швидко насичується киснем (набагато швидше, ніж гемоглобін), а потім поступово передає його різним тканинам.

Структурні білки виконують захисну функцію (шкірний покрив) або опорну – скріплюють організм у єдине ціле та надають йому міцності (хрящі та сухожилля). Їхнім головним компонентом є фібрилярний білок колаген (рис. 11), найбільш поширений білок тваринного світу, в організмі ссавців, на його частку припадає майже 30% від усієї маси білків. Колаген має високу міцність на розрив (відома міцність шкіри), але через малий вміст поперечних зшивок у колагені шкіри, шкіри тварин мало придатні у сирому вигляді для виготовлення різних виробів. Щоб зменшити набухання шкіри у воді, усадку при сушінні, а також для збільшення міцності в обводненому стані та підвищення пружності в колагені створюють додаткові поперечні зшивки (рис. 15а), це так званий процес дублення шкіри.

У живих організмах молекули колагену, що виникли в процесі росту та розвитку організму, не оновлюються і не заміняються заново синтезованими. У міру старіння організму збільшується кількість поперечних зшивок у колагені, що призводить до зниження його еластичності, а оскільки оновлення не відбувається, то проявляються вікові зміни – збільшення крихкості хрящів та сухожиль, поява зморшок на шкірі.

У суглобових зв'язках міститься еластин – структурний білок, що легко розтягується у двох вимірах. Найбільшу еластичність має білок гум, який знаходиться в місцях шарнірного прикріплення крил у деяких комах.

Рогові утворення – волосся, нігті, пір'я складаються, в основному, з білка кератину (рис. 24). Його основна відмінність - помітний вміст залишків цистеїну, що утворює дисульфідні містки, що надає високу пружність (здатність відновлювати вихідну форму після деформації) волоссю, а також вовняним тканинам.

Рис. 24. ФРАГМЕНТ ФІБРИЛЯРНОГО БІЛКУ КЕРАТИНУ

Для незворотної зміни форми кератинового об'єкта потрібно спочатку зруйнувати дисульфідні містки за допомогою відновника, надати нову форму, а потім знову створити дисульфідні містки за допомогою окислювача (рис. 16), саме так робиться, наприклад, хімічна завивка волосся.

При збільшенні вмісту залишків цистеїну в кератині і, відповідно, зростанні кількості дисульфідних містків здатність до деформації зникає, але при цьому з'являється висока міцність (у рогах копитних тварин і черепах панцирях міститься до 18% цистеїнових фрагментів). В організмі ссавців міститься до 30 різних типів кератину.

Споріднений кератину фібрилярний білок фіброїн, що виділяється гусеницями шовкопряда при завивці кокона, а також павуками при плетінні павутиння, містить лише β-структури, з'єднані одиночними ланцюгами (рис. 11). На відміну від кератину, фіброїн не має поперечних дисульфідних містків, він має дуже міцний на розрив (міцність у розрахунку на одиницю поперечного перерізу у деяких зразків павутини вище, ніж у сталевих тросів). Через відсутність поперечних зшивок фіброїн непружний (відомо, що вовняні тканини майже незмінні, а шовкові легко мнуться).

Регуляторні білки.

Регуляторні білки, найчастіше звані гормонами, беруть участь у різних фізіологічних процесах. Наприклад, гормон інсулін (рис. 25) складається з двох α-ланцюгів, з'єднаних дисульфідними містками. Інсулін регулює обмінні процеси за участю глюкози, його відсутність веде до діабету.

Рис. 25 БІЛОК ІНСУЛІН

У гіпофізі мозку синтезується гормон, який регулює зростання організму. Існують регуляторні білки, які контролюють біосинтез різних ферментів в організмі.

Скоротливі та рухові білки надають організму здатності скорочуватися, змінювати форму і переміщатися, перш за все, йдеться про м'язи. 40% від маси всіх білків, що містяться в м'язах, становить міозин (mys, myos, грець. - М'яз). Його молекула містить одночасно фібрилярну та глобулярну частину (рис. 26)

Рис. 26 МОЛЕКУЛА МІОЗИНА

Такі молекули поєднуються у великі агрегати, що містять 300-400 молекул.

При зміні концентрації іонів кальцію у просторі, що оточує м'язові волокна, відбувається оборотна зміна конформації молекул – зміна форми ланцюга за рахунок повороту окремих фрагментів навколо валентних зв'язків. Це призводить до скорочення та розслаблення м'язів, сигнал для зміни концентрації іонів кальцію надходить від нервових закінчень у м'язових волокнах. Штучне скорочення м'язів можна викликати дією електричних імпульсів, що призводять до різкої зміни концентрації іонів кальцію, на цьому ґрунтується стимуляція серцевого м'яза для відновлення роботи серця.

Захисні білки дозволяють уберегти організм від вторгнення бактерій, що атакують його, вірусів і від проникнення чужорідних білків (узагальнена назва чужорідних тіл – антигени). Роль захисних білків виконують імуноглобуліни (інша їхня назва – антитіла), вони розпізнають антигени, що проникли в організм, і міцно зв'язуються з ними. В організмі ссавців, включаючи людину, є п'ять класів імуноглобулінів: M, G, A, D і E, їх структура, як випливає з назви, глобулярна, крім того, всі вони побудовані подібним чином. Молекулярна організація антитіл показана на прикладі імуноглобуліну класу G (рис. 27). Молекула містить чотири поліпептидні ланцюги, об'єднані трьома дисульфідними містками S-S (на рис. 27 вони показані з потовщеними валентними зв'язками і великими символами S), крім того, кожен полімерний ланцюг містить внутрішньоланцюгові дисульфідні перемички. Два великі полімерні ланцюги (виділені синім кольором) містять 400-600 амінокислотних залишків. Два інші ланцюги (виділені зеленим кольором) майже вдвічі коротші, вони містять приблизно 220 залишків амінокислот. Всі чотири ланцюги розташовані таким чином, що кінцеві H2N-групи направлені в один бік.

Рис. 27 СХЕМАТИЧНЕ ЗОБРАЖЕННЯ СТРУКТУРИ ІМУНОГЛОБУЛІНУ

Після контакту організму з чужорідним білком (антигеном) клітини імунної системи починають виробляти імуноглобуліни (антитіла), які накопичуються в сироватці крові. На першому етапі основну роботу здійснюють ділянки ланцюгів, що містять кінцеві H 2 N (на рис. 27 відповідні ділянки відзначені світло-синім та світло-зеленим кольором). Це область захоплення антигенів. У процесі синтезу імуноглобуліну ці ділянки формується таким чином, щоб їх будова і конфігурація максимально відповідали структурі антигену, що наближався (як ключ до замку, подібно до ферментів, але завдання в даному випадку інші). Таким чином, для кожного антигену як імунна відповідь створюється строго індивідуальне антитіло. Таке «пластично» змінювати будову залежно від зовнішніх факторів, крім імуноглобулінів, не може жоден відомий білок. Ферменти вирішують завдання структурної відповідності реагенту іншим шляхом – за допомогою гігантського набору різноманітних ферментів для всіх можливих випадків, а імуноглобуліни щоразу заново перебудовують «робочий інструмент». Крім того, шарнірна ділянка імуноглобуліну (рис. 27) забезпечує двом областям захоплення деяку незалежну рухливість, в результаті молекула імуноглобуліну може «знайти» відразу два найбільш зручні для захоплення ділянки в антигені з тим, щоб його надійно зафіксувати, це нагадує дії ракоподібної істоти.

Далі включається ланцюг послідовних реакцій імунної системи організму, підключаються імуноглобуліни інших класів, в результаті відбувається дезактивація чужорідного білка, а потім знищення та видалення антигену (стороннього мікроорганізму чи токсину).

Після контакту з антигеном максимальна концентрація імуноглобуліну досягається (залежно від природи антигену та індивідуальних особливостей самого організму) протягом кількох годин (іноді кількох днів). Організм зберігає пам'ять про такий контакт, і при повторній атаці таким же антигеном імуноглобуліни накопичуються у сироватці крові значно швидше та у більшій кількості – виникає набутий імунітет.

Наведена класифікація білків носить певною мірою умовний характер, наприклад, білок тромбін, згаданий серед захисних білків, по суті являє собою фермент, що каталізує гідроліз пептидних зв'язків, тобто відноситься до класу протеаз.

До захисних білків часто відносять білки зміїної отрути та токсичні білки деяких рослин, оскільки їхнє завдання – уберегти організм від ушкоджень.

Є білки, функції яких настільки унікальні, що це ускладнює їхню класифікацію. Наприклад, білок монеллін, що міститься в одній з африканських рослин, дуже солодкий на смак, він став предметом вивчення як нетоксична речовина, яка може бути використана замість цукру для запобігання ожиріння. Плазма крові деяких антарктичних риб містить білки з властивостями антифризу, що оберігає кров цих риб від замерзання.

Штучний синтез білків.

Конденсація амінокислот, що призводить до поліпептидного ланцюга, є добре вивченим процесом. Можна провести, наприклад, конденсацію будь-якої однієї амінокислоти або суміші кислот і отримати, відповідно, полімер, що містить однакові ланки, або різні ланки, що чергуються у випадковому порядку. Такі полімери мало схожі на природні поліпептиди і не мають біологічної активності. Основне завдання полягає в тому, щоб з'єднувати амінокислоти в строго визначеному, наперед наміченому порядку, щоб відтворити послідовність амінокислотних залишків у природних білках. Американський вчений Роберт Мерріфілд запропонував оригінальний метод, який дозволив вирішити таке завдання. Сутність методу полягає в тому, що першу амінокислоту приєднують до нерозчинного полімерного гелю, який містить реакційно-здатні групи, здатні з'єднуватися з СООН групами амінокислоти. В якості такої полімерної підкладки було взято зшитий полістирол із введеними в нього хлорметильними групами. Щоб взята для реакції амінокислота не прореагувала сама з собою і щоб вона не приєдналася H 2 N-групою до підкладки, аміногрупу цієї кислоти попередньо блокують об'ємним заступником [(С 4 Н 9) 3 ] 3 ОС(О)-групою. Після того, як амінокислота приєдналася до полімерної підкладки, блокуючу групу видаляють і реакційну суміш вводять іншу амінокислоту, у якої також попередньо заблокована H 2 N-група. У такій системі можлива лише взаємодія H 2 N-групи першої амінокислоти та групи -СООН другої кислоти, яку проводять у присутності каталізаторів (солей фосфонію). Далі усю схему повторюють, вводячи третю амінокислоту (рис. 28).

Рис. 28. СХЕМА СИНТЕЗУ ПОЛІПЕПТИДНИХ ЛАНЦЮГІВ

На останній стадії отримані поліпептидні ланцюги відокремлюють від полістирольної підкладки. Нині весь процес автоматизовано, існують автоматичні синтезатори пептидів, що діють за описаною схемою. Таким методом синтезовано безліч пептидів, що використовуються в медицині та сільському господарстві. Вдалося також отримати покращені аналоги природних пептидів із вибірковою та посиленою дією. Синтезовано деякі невеликі білки, наприклад гормон інсуліну та деякі ферменти.

Існують також методи синтезу білків, що копіюють природні процеси: синтезують фрагменти нуклеїнових кислот, налаштованих на отримання певних білків, потім ці фрагменти вбудовують у живий організм (наприклад, бактерію), після чого організм починає виробляти потрібний білок. У такий спосіб зараз отримують значну кількість важкодоступних білків і пептидів, а також їх аналогів.

Білки як джерела живлення.

Білки в живому організмі постійно розщеплюються на вихідні амінокислоти (за обов'язковою участю ферментів), одні амінокислоти переходять на інші, потім білки знову синтезуються (також з участю ферментів), тобто. організм постійно оновлюється. Деякі білки (колаген шкіри, волосся) не оновлюються, організм безперервно їх втрачає і замість синтезує нові. Білки як джерела живлення виконують дві основні функції: вони постачають в організм будівельний матеріал для синтезу нових білкових молекул і, крім того, забезпечують організм енергією (джерела калорій).

Плотоядні ссавці (у тому числі і людина) отримують необхідні білки з рослинною та тваринною їжею. Жоден з отриманих з їжею білків не вбудовується в організм у незмінному вигляді. У травному тракті всі поглинені білки розщеплюються до амінокислот, і вже з них будуються білки, необхідні конкретному організму, при цьому з 8 незамінних кислот (табл. 1) в організмі можуть синтезуватися інші 12, якщо вони не надходять у достатній кількості з їжею, але незамінні кислоти повинні надходити з їжею неодмінно. Атоми сірки в цистеїні організм отримує із незамінною амінокислотою – метіоніном. Частина білків розпадається, виділяючи енергію, необхідну підтримки життєдіяльності, а що міститься у яких азот виводиться з організму із сечею. Зазвичай організм людини втрачає 25-30 р. білка на добу, тому білкова їжа повинна бути постійно в потрібній кількості. Мінімальна добова потреба у білку становить у чоловіків 37 г, у жінок 29 г, проте рекомендовані норми споживання майже вдвічі вищі. Оцінюючи харчових продуктів важливо враховувати якість білка. За відсутності або низького вмісту незамінних амінокислот білок вважається малоцінним, тому такі білки повинні споживатися більшою кількістю. Так, білки бобових культур містять мало метіоніну, а в білках пшениці та кукурудзи низький вміст лізину (обидві амінокислоти незамінні). Тварини білки (за винятком колагенів) відносять до повноцінних харчових продуктів. Повний набір всіх незамінних кислот містить казеїн молока, а також сир і сир, що готуються з нього, тому вегетаріанська дієта, в тому випадку, якщо вона дуже строга, тобто. «безмолочна», потребує посиленого споживання бобових культур, горіхів та грибів для постачання організму незамінними амінокислотами у потрібній кількості.

Синтетичні амінокислоти та білки використовують і як харчові продукти, додаючи їх у корми, які містять незамінні амінокислоти у малій кількості. Існують бактерії, які можуть переробляти і засвоювати вуглеводні нафти, у цьому випадку для повноцінного синтезу білків їх потрібно підживлювати азотовмісними сполуками (аміак або нітрати). Отриманий таким способом білок використовують як корм для худоби і свійської птиці. У комбікорм домашніх тварин часто додають набір ферментів - карбогідраз, які каталізують гідроліз компонентів вуглеводної їжі, що важко розкладаються (клітинні стінки зернових культур), в результаті чого рослинна їжа засвоюється більш повно.

Михайло Левицький

БІЛКИ (стаття 2)

(Протеїни), клас складних азотовмісних сполук, найбільш характерних і важливих (поряд з нуклеїновими кислотами) компонентів живої речовини. Білки виконують численні та різноманітні функції. Більшість білків – ферменти, що каталізують хімічні реакції. Багато гормонів, що регулюють фізіологічні процеси, також є білками. Такі структурні білки, як колаген та кератин, служать головними компонентами кісткової тканини, волосся та нігтів. Скорочувальні білки м'язів мають здатність змінювати свою довжину, використовуючи хімічну енергію для виконання механічної роботи. До білків відносяться антитіла, які пов'язують та нейтралізують токсичні речовини. Деякі білки, здатні реагувати на зовнішні впливи (світло, запах), служать в органах почуттів рецепторами, які сприймають подразнення. Багато білки, розташовані всередині клітини та на клітинній мембрані, виконують регуляторні функції.

У першій половині 19 ст. багато хіміків, і серед них насамперед Ю.фон Лібіх, поступово дійшли висновку, що білки є особливим класом азотистих сполук. Назва «протеїни» (від грецьк. protos – перший) запропонував у 1840 році голландський хімік Г.Мульдер.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Білки в твердому стані білого кольору, а в розчині безбарвні, якщо вони не несуть якої-небудь хромофорної (забарвленої) групи, як, наприклад, гемоглобін. Розчинність у воді у різних білків дуже варіює. Вона змінюється також залежно від рН і від концентрації солей у розчині, так що можна підібрати умови, за яких один якийсь білок вибірково осідатиметься в присутності інших білків. Цей метод «висалівання» широко використовується для виділення та очищення білків. Очищений білок часто випадає в осад із розчину у вигляді кристалів.

У порівнянні з іншими сполуками молекулярна маса білків дуже велика – від кількох тисяч до багатьох мільйонів дальтонів. Тому при ультрацентрифугуванні білки осідають, і до того ж з різною швидкістю. Завдяки присутності в молекулах білків позитивно та негативно заряджених груп вони рухаються з різною швидкістю та в електричному полі. На цьому заснований електрофорез - метод, який застосовується для виділення індивідуальних білків зі складних сумішей. Очищення білків проводять і методом хроматографії.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Будова.

Білки – це полімери, тобто. молекули, побудовані, як ланцюга, з мономерних ланок, що повторюються, або субодиниць, роль яких відіграють у них aльфа-амінокислоти. Загальна формула амінокислот

де R - атом водню або якась органічна група.

Білкова молекула (поліпептидний ланцюг) може складатися лише з відносно невеликої кількості амінокислот або з декількох тисяч мономерних ланок. З'єднання амінокислот у ланцюзі можливе тому, що кожна з них має дві різні хімічні групи: аміногрупа, що володіє основними властивостями, NH2, і кислотна карбоксильна група, СООН. Обидві ці групи приєднані до a-тому вуглецю. Карбоксильна група однієї амінокислоти може утворити амідний (пептидний) зв'язок з аміногрупою іншої амінокислоти:

Після того як дві амінокислоти таким чином з'єдналися, ланцюг може нарощуватися шляхом додавання до другої третьої амінокислоти і т.д. Як видно з наведеного вище рівняння, при утворенні пептидного зв'язку виділяється молекула води. У присутності кислот, лугів або протеолітичних ферментів реакція йде у зворотному напрямку: поліпептидний ланцюг розщеплюється на амінокислоти із приєднанням води. Така реакція називається гідролізом. Гідроліз протікає спонтанно, а для з'єднання амінокислот у поліпептидний ланцюг потрібна енергія.

Карбоксильна група і амідна група (або подібна з нею імідна – у разі амінокислоти проліну) є у всіх амінокислот, відмінності між амінокислотами визначаються природою тієї групи, або «бічного ланцюга», яка позначена вище буквою R. Роль бічного ланцюга може грати і один атом водню, як у амінокислоти гліцину, і якесь об'ємне угруповання, як у гістидину і триптофану. Деякі бічні ланцюги в хімічному сенсі інертні, тоді як інші мають помітну реакційну здатність.

Синтезувати можна багато тисяч різних амінокислот, і безліч різних амінокислот зустрічається в природі, але для синтезу білків використовується тільки 20 видів амінокислот: аланін, аргінін, аспарагін, аспарагінова кислота, валін, гістидин, гліцин, глутамін, глутамінова кислота, ізолей , метіонін, пролін, серин, тирозин, треонін, триптофан, фенілаланін і цистеїн (у білках цистеїн може бути у вигляді димеру – цистину). Правда, в деяких білках присутні й інші амінокислоти, крім двадцяти, що регулярно зустрічаються, але вони утворюються в результаті модифікації якої-небудь з двадцяти перерахованих вже після того, як вона включилася в білок.

Оптична активність.

У всіх амінокислот, за винятком гліцину, до атому вуглецю приєднані чотири різні групи. З погляду геометрії, чотири різні групи можуть бути приєднані двома способами, і відповідно є дві можливі конфігурації, або два ізомери, які стосуються один одного, як предмет до свого дзеркального відображення, тобто. як ліва рука до правої. Одну конфігурацію називають лівою, або лівообертаючою (L), а іншу – правою, або правообертаючою (D), оскільки два таких ізомери відрізняються напрямом обертання площини поляризованого світла. У білках зустрічаються тільки L-амінокислоти (виняток становить гліцин; він може бути представлений лише однією формою, оскільки у нього дві з чотирьох груп однакові), і всі вони мають оптичну активність (оскільки є тільки один ізомер). D-амінокислоти у природі рідкісні; вони зустрічаються в деяких антибіотиках та клітинній оболонці бактерій.

Послідовність амінокислот.

Амінокислоти в поліпептидному ланцюгу розташовуються не випадковим чином, а в певному фіксованому порядку, і саме цей порядок визначає функції та властивості білка. Варіюючи порядок розташування 20 видів амінокислот, можна отримати величезну кількість різних білків, так само, як з літер алфавіту можна скласти безліч різних текстів.

У минулому визначення амінокислотної послідовності якого-небудь білка йшло нерідко кілька років. Пряме визначення і тепер досить трудомістка справа, хоча створені прилади, що дозволяють вести його автоматично. Зазвичай простіше визначити нуклеотидну послідовність відповідного гена і вивести з неї амінокислотну послідовність білка. На цей час вже визначено амінокислотні послідовності багатьох сотень білків. Функції розшифрованих білків, як правило, відомі, і це допомагає уявити можливі функції подібних білків, що утворюються, наприклад, при злоякісних новоутвореннях.

Складні білки.

Білки, які з одних лише амінокислот, називають простими. Часто, однак, до поліпептидного ланцюга бувають приєднані атом металу або якесь хімічне з'єднання, що не є амінокислотою. Такі білки називаються складними. Прикладом може бути гемоглобін: він містить залізопорфірин, який визначає його червоний колір і дозволяє грати роль переносника кисню.

У найменуваннях більшості складних білків міститься вказівка ​​на природу приєднаних груп: у глікопротеїнах присутні цукру, у ліпопротеїнах – жири. Якщо від приєднаної групи залежить каталітична активність ферменту, її називають простетичної групою. Нерідко якийсь вітамін грає роль простетичної групи або входить до її складу. Вітамін А, наприклад, приєднаний до одного з білків сітківки, визначає її чутливість до світла.

Третинна структура.

Важлива не так сама амінокислотна послідовність білка (первинна структура), скільки спосіб її укладання в просторі. По всій довжині поліпептидного ланцюга іони водню утворюють регулярні водневі зв'язки, які надають їй форму спіралі чи шару (вторинна структура). З комбінації таких спіралей та верств виникає компактна форма наступного порядку – третинна структура білка. Навколо зв'язків, що утримують мономірні ланки ланцюга, можливі повороти на невеликі кути. Тому з чисто геометричної точки зору кількість можливих конфігурацій для будь-якого поліпептидного ланцюга нескінченно велика. Насправді кожен білок існує в нормі тільки в одній конфігурації, що визначається його амінокислотною послідовністю. Структура ця не жорстка, вона як би "дихає" - коливається навколо якоїсь середньої конфігурації. Ланцюг складається в таку конфігурацію, при якій вільна енергія (здатність виконувати роботу) мінімальна, подібно до того як відпущена пружина стискається лише до стану, що відповідає мінімуму вільної енергії. Нерідко одна частина ланцюга буває жорстко зчеплена з іншою дисульфідними (-S-S-) зв'язками між двома залишками цистеїну. Частково саме тому цистеїн серед амінокислот відіграє важливу роль.

Складність будови білків настільки велика, що ще неможливо обчислити третинну структуру білка, навіть відома його амінокислотна послідовність. Але якщо вдається отримати кристали білка, його третинну структуру можна визначити по дифракції рентгенівських променів.

У структурних, скорочувальних та деяких інших білків ланцюга витягнуті і кілька лежачих поряд злегка згорнутих ланцюгів утворюють фібрили; фібрили, своєю чергою, складаються у великі утворення – волокна. Однак більшість білків у розчині мають глобулярну форму: ланцюги згорнуті в глобулі, як пряжа в клубку. Вільна енергія за такої конфігурації мінімальна, оскільки гідрофобні («відштовхують воду») амінокислоти приховані всередині глобули, а гідрофільні («притягують воду») знаходяться на її поверхні.

Багато білків – це комплекси з кількох поліпептидних ланцюгів. Така будова називається четвертинною структурою білка. Молекула гемоглобіну, наприклад, складається з чотирьох субодиниць, кожна з яких є глобулярним білок.

Структурні білки завдяки своїй лінійній конфігурації утворюють волокна, у яких межа міцності на розрив дуже високий, глобулярна конфігурація дозволяє білкам вступати в специфічні взаємодії з іншими сполуками. На поверхні глобули при правильному укладанні ланцюгів виникають певні форми порожнини, в яких розміщені реакційноздатні хімічні групи. Якщо цей білок – фермент, то інша, зазвичай менша, молекула якоїсь речовини входить у таку порожнину подібно до того, як ключ входить у замок; при цьому змінюється конфігурація електронної хмари молекули під впливом хімічних груп, що знаходяться в порожнині, і це змушує її певним чином реагувати. У такий спосіб фермент каталізує реакцію. У молекулах антитіл також є порожнини, у яких різні чужорідні речовини зв'язуються і цим знешкоджуються. Модель «ключа і замка», що пояснює взаємодію білків коїться з іншими сполуками, дозволяє зрозуміти специфічність ферментів і антитіл, тобто. їхня здатність реагувати тільки з певними сполуками.

Білки у різних видів організмів.

Білки, що виконують ту саму функцію у різних видів рослин і тварин і тому мають одну і ту ж назву, мають і подібну конфігурацію. Вони, однак, дещо різняться за своєю амінокислотною послідовністю. У міру того, як види дивергують від загального предка, деякі амінокислоти в певних положеннях заміщаються в результаті інших мутацій. Шкідливі мутації, що є причиною спадкових хвороб, вибраковуються природним відбором, але корисні або, принаймні, нейтральні можуть зберігатися. Чим ближче один до одного два будь-які біологічні види, тим менше відмінностей виявляється в їх білках.

Деякі білки змінюються відносно швидко, інші дуже консервативні. До останніх належить, наприклад, цитохром с – дихальний фермент, що є у більшості живих організмів. Людина і шимпанзе його амінокислотні послідовності ідентичні, а цитохромі з пшениці іншими виявилися лише 38% амінокислот. Навіть порівнюючи людину і бактерії, подібність цитохромів з (відмінності торкаються тут 65% амінокислот) все ще можна помітити, хоча загальний предок бактерії та людини жив на Землі близько двох мільярдів років тому. У наш час порівняння амінокислотних послідовностей часто використовують для побудови філогенетичного (генеалогічного) дерева, що відбиває еволюційні зв'язки між різними організмами.

Денатурація.

Синтезована молекула білка, складаючись, набуває властиву їй конфігурацію. Ця конфігурація, однак, може зруйнуватися при нагріванні, зміні рН, під дією органічних розчинників і навіть при простому збовтуванні розчину до появи на його поверхні бульбашок. Змінений у такий спосіб білок називають денатурованим; він втрачає свою біологічну активність і зазвичай стає нерозчинним. Добре знайомі всім приклади денатурованого білка – варені яйця чи збиті вершки. Невеликі білки, містять лише близько сотні амінокислот, здатні ренатурувати, тобто. знову набувати вихідної конфігурації. Але більшість білків перетворюється при цьому просто на масу поплутаних поліпептидних ланцюгів і колишню конфігурацію не відновлює.

Одна з головних труднощів при виділенні активних білків пов'язана з їхньою чутливістю до денатурації. Корисне застосування ця властивість білків знаходить при консервуванні харчових продуктів: висока температура необоротно денатурує ферменти мікроорганізмів, і мікроорганізми гинуть.

СИНТЕЗ БІЛКІВ

Для синтезу білка живий організм повинен мати систему ферментів, здатних приєднувати одну амінокислоту до іншої. Необхідне також джерело інформації, яка б визначала, які саме амінокислоти слід з'єднувати. Оскільки в організмі є тисячі видів білків і кожен із них складається в середньому з кількох сотень амінокислот, необхідна інформація має бути справді величезною. Зберігається вона (подібно до того, як зберігається запис на магнітній стрічці) в молекулах нуклеїнових кислот, з яких складаються гени.

Активація ферментів.

Синтезований з амінокислот поліпептидний ланцюг – це далеко не завжди білок у його остаточній формі. Багато ферментів синтезуються спочатку у вигляді неактивних попередників і переходять в активну форму лише після того, як інший фермент видалить на одному з кінців ланцюга кілька амінокислот. У такій неактивній формі синтезуються деякі травні ферменти, наприклад трипсин; ці ферменти активуються в шлунково-кишковому тракті в результаті видалення кінцевого фрагмента ланцюга. Гормон інсулін, молекула якого в активній формі складається з двох коротких ланцюгів, синтезується як одного ланцюга, т.зв. проінсуліну. Потім середня частина цього ланцюга видаляється, а фрагменти, що залишилися, зв'язуються один з одним, утворюючи активну молекулу гормону. Складні білки утворюються лише після того, як до білка буде приєднано певну хімічну групу, а для цього приєднання часто теж потрібен фермент.

Метаболічний кругообіг.

Після згодовування тварині амінокислот, мічених радіоактивними ізотопами вуглецю, азоту або водню, мітка швидко включається до його білків. Якщо мічені амінокислоти перестають надходити в організм, кількість мітки в білках починає знижуватися. Ці експерименти показують, що білки, що утворилися, не зберігаються в організмі до кінця життя. Усі вони, за небагатьма винятками, перебувають у динамічному стані, постійно розпадаються до амінокислот, та був знову синтезуються.

Деякі білки розпадаються, коли гинуть та руйнуються клітини. Це постійно відбувається, наприклад, з еритроцитами та клітинами епітелію, що вистилає внутрішню поверхню кишечника. Крім того, розпад та ресинтез білків протікають і в живих клітинах. Як не дивно, про розпад білків відомо менше, ніж про їхній синтез. Зрозуміло, проте, що у розпаді беруть участь протеолітичні ферменти, подібні до тих, які розщеплюють білки до амінокислот у травному тракті.

Період напіврозпаду у різних білків різний - від кількох годин до багатьох місяців. Єдиний виняток – молекули колагену. Якось утворившись, вони залишаються стабільними, не оновлюються та не заміщаються. Згодом, однак, змінюються деякі їх властивості, зокрема еластичність, а оскільки вони не оновлюються, наслідком виявляються певні вікові зміни, наприклад поява зморшок на шкірі.

Синтетичні білки.

Хіміки давно вже навчилися полімеризувати амінокислоти, але амінокислоти з'єднуються при цьому невпорядковано, тому продукти такої полімеризації мало схожі на природні. Щоправда, є можливість поєднувати амінокислоти в заданому порядку, що дозволяє одержувати деякі біологічно активні білки, зокрема, інсулін. Процес досить складний, і таким способом вдається одержувати ті білки, в молекулах яких міститься близько сотні амінокислот. Переважно замість цього синтезувати або виділити нуклеотидну послідовність гена, відповідну бажаної амінокислотної послідовності, а потім ввести цей ген в бактерію, яка і вироблятиме шляхом реплікації велику кількість потрібного продукту. Цей метод, втім, теж має свої недоліки.

БІЛКИ І ЖИВЛЕННЯ

Коли білки в організмі розпадаються до амінокислот, ці амінокислоти можуть бути використані для синтезу білків. У той же час і самі амінокислоти схильні до розпаду, так що вони реутилізуються не повністю. Зрозуміло також, що в період росту, при вагітності та загоєнні ран синтез білків має перевищувати розпад. Деякі білки організм безперервно втрачає; це білки волосся, нігтів та поверхневого шару шкіри. Тому для синтезу білків кожен організм має одержувати амінокислоти з їжею.

Джерела амінокислот.

Зелені рослини синтезують із СО2, води та аміаку або нітратів усі 20 амінокислот, що зустрічаються в білках. Багато бактерій теж здатні синтезувати амінокислоти за наявності цукру (або якогось його еквівалента) і фіксованого азоту, а й цукор, зрештою, поставляється зеленими рослинами. У тварин здатність до синтезу амінокислот обмежена; вони одержують амінокислоти, поїдаючи зелені рослини чи інших тварин. У травному тракті поглинені білки розщеплюються до амінокислот, останні всмоктуються, і з них будуються білки, притаманні даного організму. Жоден поглинений білок не входить у структури тіла як такої. Єдиний виняток полягає в тому, що у багатьох ссавців частина материнських антитіл може в інтактному вигляді потрапити через плаценту в кровотік плода, а через материнське молоко (особливо у жуйних) бути передане новонародженому відразу після появи на світ.

Потреба у білках.

Зрозуміло, що з підтримки життя організм повинен отримувати з їжею кілька білків. Проте розміри цієї потреби залежить від низки чинників. Організму необхідна їжа як джерело енергії (калорій), і як матеріал для побудови його структур. На першому місці стоїть потреба в енергії. Це означає, що коли вуглеводів і жирів в раціоні мало, харчові білки використовуються не для синтезу власних білків, а як джерело калорій. При тривалому голодуванні навіть власні білки витрачаються задоволення енергетичних потреб. Якщо ж вуглеводів у раціоні достатньо, споживання білків може бути знижено.

Азотний баланс.

У середньому прибл. 16% усієї маси білка становить азот. Коли входили до складу білків амінокислоти розщеплюються, азот, що містився в них, виводиться з організму з сечею і (щонайменше) з калом у вигляді різних азотистих сполук. Зручно для оцінки якості білкового харчування використовувати такий показник, як азотистий баланс, тобто. різницю (у грамах) між кількістю азоту, що надійшов в організм, і кількістю виведеного азоту за добу. За нормального харчування у дорослого ці кількості рівні. У зростаючого організму кількість виведеного азоту менша за кількість надійшов, тобто. баланс позитивний. При нестачі білків у раціоні баланс негативний. Якщо калорій у раціоні достатньо, але білки у ньому повністю відсутні, організм зберігає білки. Білковий обмін уповільнюється, і повторна утилізація амінокислот в синтезі білка йде з максимально можливою ефективністю. Однак втрати неминучі, і азотисті сполуки все ж таки виводяться з сечею і частково з калом. Кількість азоту, виведеного з організму за добу при білковому голодуванні, може бути мірою добової нестачі білка. Природно припустити, що, ввівши до раціону кількість білка, еквівалентне цьому дефіциту, можна відновити азотистий баланс. Однак, це не так. Отримавши таку кількість білка, організм починає використовувати амінокислоти менш ефективно, так що для відновлення балансу азотистого потрібна деяка додаткова кількість білка.

Якщо кількість білка в раціоні перевищує необхідне підтримки азотистого балансу, то шкоди від цього, очевидно, немає. Надлишок амінокислот просто використовується як джерело енергії. Як особливо яскравий приклад можна послатися на ескімосів, які споживають мало вуглеводів і приблизно в десять разів більше білка, ніж потрібно підтримки азотистого балансу. У більшості випадків, проте, використання білка як джерело енергії невигідно, оскільки з певної кількості вуглеводів можна отримати набагато більше калорій, ніж з тієї ж кількості білка. У бідних країнах населення отримує необхідні калорії за рахунок вуглеводів та споживає мінімальну кількість білка.

Якщо необхідну кількість калорій організм отримує у формі небілкових продуктів, то мінімальна кількість білка, що забезпечує підтримку азотистого балансу, становить для дорослої людини прибл. 30 г на добу. Приблизно стільки білка міститься у чотирьох скибочках хліба чи 0,5 л молока. Оптимальним вважають зазвичай дещо більшу кількість; рекомендується від 50 до 70 г.

Незамінні амінокислоти.

До цього часу білок розглядався як щось ціле. Тим часом для того, щоб міг йти синтез білка, в організмі повинні бути присутніми всі необхідні амінокислоти. Деякі з амінокислот організм тварини сам здатний синтезувати. Їх називають замінними, оскільки вони не обов'язково повинні бути присутніми в раціоні, – важливо лише, щоб загалом надходження білка як джерела азоту було достатнім; тоді за браку замінних амінокислот організм може синтезувати їх з допомогою тих, що є надлишку. Інші, незамінні, амінокислоти не можуть бути синтезовані і повинні надходити в організм з їжею. Для людини незамінними є валін, лейцин, ізолейцин, треонін, метіонін, фенілаланін, триптофан, гістидин, лізин та аргінін. (Хоча аргінін і може синтезуватися в організмі, його відносять до незамінних амінокислот, оскільки у новонароджених і дітей, що ростуть, він утворюється в недостатній кількості. З іншого боку, для людини зрілого віку надходження деяких з цих амінокислот з їжею може стати необов'язковим.)

Цей список незамінних амінокислот приблизно однаковий також у інших хребетних і навіть комах. Поживну цінність білків зазвичай визначають, згодовуючи їх щурам і стежачи за збільшенням ваги тварин.

Поживна цінність білків.

Поживну цінність білка визначають за тією незамінною амінокислотою, якої найбільше не вистачає. Проілюструємо це з прикладу. У білках нашого тіла міститься в середньому прибл. 2% триптофану (за вагою). Припустимо, що до раціону входить 10 г білка, що містить 1% триптофану, і що інших незамінних амінокислот у ньому достатньо. У нашому випадку 10 г цього неповноцінного білка, по суті, еквівалентні 5 г повноцінного; Інші 5 р можуть бути лише джерелом енергії. Зазначимо, що оскільки амінокислоти в організмі практично не запасаються, а для того щоб міг йти синтез білка, повинні одночасно бути присутніми всі амінокислоти, ефект від надходження незамінних амінокислот можна виявити лише в тому випадку, якщо всі вони надійдуть в організм одночасно.

Усереднений склад більшості тварин білків близький до усередненого складу білків людського тіла, так що амінокислотна недостатність нам навряд чи загрожує, якщо наш раціон багатий на такі продукти, як м'ясо, яйця, молоко і сир. Однак є білки, наприклад, желатин (продукт денатурації колагену), які містять дуже мало незамінних амінокислот. Рослинні білки, хоча вони в цьому сенсі і кращі за желатин, теж бідні незамінними амінокислотами; особливо мало в них лізину та триптофану. Тим не менш і чисто вегетаріанську дієту зовсім не можна вважати шкідливою, якщо при цьому споживається дещо більша кількість рослинних білків, достатня для того, щоб забезпечити організм незамінними амінокислотами. Найбільше білка міститься в рослин у насінні, особливо в насінні пшениці та різних бобових культур. Багаті на білки також і молоді пагони, наприклад у спаржі.

Синтетичні білки у раціоні.

Додаючи невеликі кількості синтетичних незамінних амінокислот або багатих ними білків до неповноцінних білків, наприклад білків кукурудзи, можна значно підвищити поживну цінність останніх, тобто. тим самим збільшити кількість споживаного білка. Інша можливість полягає у вирощуванні бактерій або дріжджів на вуглеводнях нафти з додаванням нітратів або аміаку як джерело азоту. Отриманий таким шляхом мікробний білок може служити кормом для свійської птиці або худоби, а може безпосередньо споживатися людиною. Третій метод, що широко застосовується, використовує особливості фізіології жуйних тварин. У жуйних у початковому відділі шлунка, т.зв. рубці, мешкають особливі форми бактерій і найпростіших, які перетворюють неповноцінні рослинні білки на більш повноцінні мікробні білки, а ці, своєю чергою, – після перетравлення і всмоктування – перетворюються на тваринні білки. До корму худоби можна додати сечовину – дешеве синтетичне азотовмісне з'єднання. Мікроорганізми, що мешкають в рубці, використовують азот сечовини для перетворення вуглеводів (яких у кормі значно більше) на білок. Близько третини всього азоту в кормі худоби може надходити у вигляді сечовини, що насправді і означає певною мірою хімічний синтез білка.

Добре вивченими прикладами взаємодії білків та ДНК, що не залежить від нуклеотидної послідовності ДНК, є взаємодія зі структурними білками. У клітині ДНК пов'язані з цими білками, утворюючи компактну структуру, що називається хроматин. У прокаріотів хроматин утворений при приєднанні до ДНК невеликих лужних білків - гістонів, менш упорядкований хроматин прокаріотів містить гістон-подібні білки. Гістони формують дископодібну білкову структуру - нуклеосому, навколо кожної з яких міститься два обороти спіралі ДНК. Неспецифічні зв'язки між гістонами та ДНК утворюються за рахунок іонних зв'язків лужних амінокислот гістонів та кислотних залишків сахарофостфатного кістяка ДНК. Хімічні модифікації цих амінокислот включають метилювання, фосфорилювання та ацетилювання. Ці хімічні модифікації змінюють силу взаємодії між ДНК та гістонами, впливаючи на доступність специфічних послідовностей для факторів транскрипції та змінюючи швидкість транскрипції. Інші білки у складі хроматину, які приєднуються до неспецифічних послідовностей - білки з високою рухливістю в гелях, які асоціюють здебільшого зі зігнутою ДНК. Ці білки є важливими для утворення в хроматині структур вищого порядку. Особлива група білків, що приєднуються до ДНК, це білки, які асоціюють з одноланцюговою ДНК. Найбільш добре охарактеризований білок цієї групи у людини - реплікаційний білок А, без якого неможливе перебіг більшості процесів, де розплітається подвійна спіраль, включаючи реплікацію, рекомбінацію та репарацію. Білки цієї групи стабілізують одноланцюгову ДНК і запобігають формуванню стебел-петель або деградації нуклеазами.

У той самий час інші білки дізнаються і приєднуються до специфічним послідовностям. Найбільш вивчена група таких білків – різні класи факторів транскрипції, тобто білки, що регулюють транскрипцію. Кожен із цих білків дізнається про свою послідовність, часто в промоторі і активує або пригнічує транскрипцію гена. Це відбувається при асоціації факторів транскрипції з РНК-полімеразою або безпосередньо або через білки-посередники. Полімераза асоціює спочатку з білками, а потім починає транскрипцію. В інших випадках фактори транскрипції можуть приєднуватися до ферментів, які модифікують гістони, що знаходяться на промоторах, що змінює доступність ДНК для полімераз.

Так як специфічні послідовності зустрічаються в багатьох місцях геному, зміни в активності одного типу фактора транскрипції можуть змінити активність тисяч генів. Відповідно, ці білки часто регулюються в процесах відповіді на зміни в навколишньому середовищі, розвитку організму та диференціювання клітин. Специфічність взаємодії факторів транскрипції з ДНК забезпечується численними контактами між амінокислотами та основами ДНК, що дозволяє їм «читати» послідовність ДНК. Більшість контактів з основами відбувається в головній борозенці, де основи доступніші.

Ферменти, що модифікують ДНК

Топоізомерази та хелікази

Основні статті: Топоізомерази , Хелікази

У клітині ДНК знаходиться у компактному т.з. суперскрученому стані, інакше вона не змогла б у ній уміститися. Для протікання життєво важливих процесів ДНК має бути розкручена, що виробляється двома групами білків – топоізомеразами та хеліказами.

Топоізомерази – ферменти, які мають і нуклеазну та лігазну активності. Ці білки змінюють рівень суперскрученості в ДНК. Деякі з цих ферментів розрізають спіраль ДНК і дозволяють обертатися одним із ланцюгів, тим самим зменшуючи рівень суперскрученості, після чого фермент закладає розрив. Інші ферменти можуть розрізати один з ланцюгів і проводити другий ланцюг через розрив, а потім лігувати розрив у першому ланцюзі. Топоізомерази необхідні в багатьох процесах, пов'язаних з ДНК, таких як реплікація та транкрипція.

Хелікази – білки, які є одним із молекулярних моторів. Вони використовують хімічну енергію нуклеотидтрифосфатів, найчастіше АТФ, для розриву водневих зв'язків між основами, розкручуючи подвійну спіраль на окремі ланцюжки. Ці ферменти важливі більшість процесів, де білкам необхідний доступом до підстав ДНК.

Нуклеази та лігази

Нуклеаза, Лігаза

У різних процесах, що відбуваються в клітині, наприклад, рекомбінації та репарації беруть участь ферменти, здатні розрізати та відновлювати цілісність ниток ДНК. Ферменти, що розрізають ДНК, звуться нуклеаз. Нуклеази, які гідролізують нуклеотиди на кінцях молекули ДНК, називаються екзонуклеазами, а ендонуклеази розрізають ДНК усередині ланцюга. Найчастіше використовувані в молекулярній біології та генетичній інженерії нуклеази – це рестриктази, які розрізають ДНК біля специфічних послідовностей. Наприклад, фермент EcoRV (рестрикційний фермент № 5 з E. coli) дізнається шестинуклеотидну послідовність 5"-GAT|ATC-3" і розрізає ДНК у місці, вказаному вертикальною лінією. У природі ці ферменти захищають бактерії від зараження бактеріофагами, розрізаючи ДНК фага, коли вона вводиться у бактеріальну клітину. У цьому випадку нуклеази - частина системи модифікації-рестрикції. ДНК-лігази зшивають цукрофосфатні основи в молекулі ДНК, використовуючи енергію АТФ. Рестрикційні нуклеази та лігази використовуються у клонуванні та фінгерпринтінгу.

ДНК-полімераза I (кільцеподібна структура, що складається з декількох однакових молекул білка, показаних різними кольорами), що лігує пошкоджений ланцюг ДНК

Полімерази

ДНК-полімераза

Існує також важлива для метаболізму ДНК група ферментів, що синтезують ланцюги полінуклеотидів з нуклеозидтрифосфатів - ДНК-полімерази. Вони додають нуклеотиди до 3"-гідроксильної групи попереднього нуклеотиду в ланцюзі ДНК, тому всі полімерази працюють у напрямку 5"--> 3" .

У процесі реплікації ДНК ДНК-залежна ДНК-полімераза синтезує копію вихідної послідовності ДНК. Точність дуже важлива в цьому процесі, так як помилки в полімеризації призведуть до мутацій, тому багато полімерази мають здатність до «редагування» - виправлення помилок. Полімераза дізнається про помилки в синтезі за відсутністю спарювання між неправильними нуклеотидами. Після визначення відсутності спарювання активується 3"-> 5" екзонуклеазна активність полімерази і неправильна основа видаляється. У більшості організмів ДНК-полімерази працюють у вигляді великого комплексу, званого реплісомою, що містить численні додаткові субодиниці, наприклад, хелікази.

РНК-залежні ДНК-полімерази - спеціалізований тип полімераз, які копіюють послідовність РНК на ДНК. До цього типу відноситься вірусний фермент зворотна транскриптаза, який використовується ретровірус при інфекції клітин, а також теломераза, необхідна для реплікації теломер. Теломераза – незвичайний фермент, тому що вона містить власну матричну РНК.

Транскрипція здійснюється ДНК-залежною РНК-полімеразою, яка копіює послідовність ДНК одного ланцюжка на мРНК. На початку транскрипції гена РНК-полімераза приєднується до послідовності на початку гена, яка називається промотором, і розплітає спіраль ДНК. Потім вона копіює послідовність гена на матричну РНК доти, доки дійде до ділянки ДНК кінці гена - термінатора, де вона зупиняється і від'єднується від ДНК. Також як ДНК-залежна ДНК-полімераза людини, РНК-полімераза II, яка транскрибує більшу частину генів у геномі людини, працює у складі великого білкового комплексу, що містить регуляторні та додаткові одиниці.

Білки, які беруть участь у регуляції метаболізму, самі можуть служити лігандами (наприклад, пептидні гормони), тобто взаємодіяти з іншими білками, такими як гормональні рецептори, надаючи регуляторну дію. Інші регуляторні білки такі, як рецептори гормонів або регуляторна субодиниця протеїнкінази (фермент, що активується цАМФ), мають активності, контрольовані зв'язуванням регуляторних лігандів (тобто гормонів і цАМФ відповідно) (див. розділ 4). Для того щоб активності білків цього класу могли специфічно регулюватися лігандами, такі молекули перш за все повинні володіти ділянками, що специфічно (і, як правило, з високою спорідненістю) зв'язують ліганд, що надає молекулам здатність відрізняти ліганд від інших хімічних сполук. Крім того, білок повинен мати таку структуру, щоб в результаті зв'язування ліганду його конформація могла змінюватися, тобто забезпечувати можливість надання регуляторної дії. Наприклад, у ссавців специфічне зв'язування цАМФ з регуляторною субодиницею окремих протеїнкіназ призводить до зменшення спорідненості зв'язку цієї субодиниці з каталітичною субодиницею ферменту (див. розділ 4). Це зумовлює дисоціацію обох білкових субодиниць ферменту. Каталітична субодиниця, звільнившись з-під інгібіторної дії регуляторної субодиниці, активується та каталізує фосфорилювання білків. Фосфорилювання змінює властивості певних білків, що позначається на процесах, що під контролем цАМФ. Взаємодія стероїдних гормонів зі своїми рецепторами викликає останні такі конформаційні зміни, які надають їм здатність зв'язуватися з клітинним ядром (див. розділ 4). Ця взаємодія змінює інші властивості рецепторів, важливі для опосередкування ефекту стероїдних гормонів на транскрипцію певних видів мРНК.

Для того щоб мати такі спеціалізовані і високоспецифічні функції, білки в результаті еволюції генів, що визначають їх амінокислотну послідовність, повинні були придбати ту структуру, яку вони мають в даний час. У деяких випадках у процесі беруть участь й інші гени, що кодують синтез продуктів, що модифікують самі регуляторні білки (наприклад, шляхом глікозилювання). Оскільки еволюція генів, очевидно, відбувалася з допомогою таких механізмів, як мутація передіснуючих генів і рекомбінація ділянок різних генів (що говорилося), це наклало певні обмеження еволюцію білка. З еволюційної точки зору, ймовірно, було б простіше видозмінити присутні структури, ніж створювати нові гени. У зв'язку з цим існування певної гомології в амінокислотних послідовностях різних білків може бути несподіванкою, оскільки їх гени могли виникнути внаслідок еволюції загальних попередників. Оскільки, як зазначалося вище, ділянки білків, пристосовані для зв'язування регуляторних лігандів, таких як цАМФ і стероїди або їх аналоги, вже мали існувати на час появи цих лігандів, легко уявити, як модифікація генів таких білків може призвести до синтезу інших білків. , що зберігають високу специфічність зв'язування регуляторного ліганду

На рис. 2-2 наведена одна з гіпотетичних схем еволюції примітивної глюкотрансферази в три існуючі типи регуляторних білків: бактеріальний цАМФ-зв'язуючий білок (CAP або CRP), що регулює транскрипцію декількох генів, що кодують ферменти, які беруть участь у метаболізмі лактози, а також цАМ- ссавців, який регулює активність цАМФ-залежної протеїнкінази, що опосередковує дію цАМФ у людини (див. розділ 4), та аденілатциклазу (див. розділ 4). Стосовно бактеріального білка і кінази АТФ-зв'язувальні ділянки примітивної глюкокінази еволюціонували в напрямку набуття більшої специфічності зв'язування цАМФ. Бактеріальний білок придбав також додаткову полінуклеотид (ДНК)-зв'язуючу здатність. Еволюція кінази передбачає набуття глюкофосфотрансферазної здатності фосфорилювати білки. Нарешті, з глюкокінази шляхом заміни АДФ-генеруючої функції на цАМФ-генеруючу могла б утворитися і аденілатциклаза. Ці висновки не можуть не бути суто гіпотетичними; проте вони показують, як могла здійснюватись молекулярна еволюція перерахованих регуляторних білків.

Рис. 2-2. Можливе походження цАМФ-залежної протеїнкінази, аденілатциклази та бактеріального цАМФ-зв'язуючого регуляторного білка (Baxter, MacLeod).

Хоча багато деталей у картині еволюції білків відсутні, наявні у час відомості про структуру білків і генів дають деякі підстави аналізу питання у тому, чи відбулися гени деяких полипептидных гормонів із загального гена-попередника . Окремі поліпептидні гормони можна згрупувати структурною подібністю. Немає нічого дивного в тому, що гормони, що відносяться до однієї групи, можуть мати і схожість фізіологічних ефектів, що викликаються ними, а також подібним механізмом дії. Так, гормон росту (СТГ), пролактин та хоріонічний соматомаммотропін (плацентарний лактоген) характеризуються високим ступенем гомології амінокислотної послідовності. Глікопротеїдні гормони - тиротропний гормон (ТТГ), хоріонічний гонадотропін людини (ХГЛ), фолікулостимулюючий (ФСГ) і лютеїнізуючий (ЛГ) гормони - складаються з двох субодиниць, кожен, одна з яких (А-ланцюг) ідентична або майже ідентична у всіх гормонів групи. Амінокислотна послідовність субодиниць У різних гормонах, хоч і не ідентична, але має структурну гомологію. Ймовірно, саме ці відмінності В-ланцюгів мають вирішальне значення для надання специфічності взаємодії кожного гормону з його тканиною-мішенню. Інсулін виявляє деякі структурні аналоги і має загальну біологічну активність з іншими факторами росту, такими як соматомедин і непригнічена інсуліноподібна активність (НІПА).

Що стосується групи гормонів, до якої належить гормон росту, то нуклеотидна послідовність мРНК, що кодують їхній синтез, частково з'ясована. Для кожної амінокислоти необхідні три нуклеотиди в ДНК (і, отже, транскрибируемой з неї мРНК). Хоча цьому триплету нуклеотидів; (Кодон) відповідає саме дана амінокислота, для однієї і тієї ж амінокислоти можуть існувати кілька кодонів. Така «виродженість» генетичного коду обумовлює можливість більшої чи меншої гомології нуклеотидних послідовностей двох даних генів, визначальних структуру двох гормонів, ніж у білках. Так, якщо два білки мають випадкову гомологію амінокислотної послідовності, то послідовності нуклеїнових кислот могли б виявляти великі відмінності. Однак щодо генів, що кодують синтез гормонів групи соматотропіну, це не так; гомологія послідовності нуклеїнових кислот вища, ніж гомологія амінокислотної послідовності. Гормон росту людини та хоріонічний соматомаммотропін, які мають 87% гомологію амінокислотних послідовностей, у своїх мРНК мають 93% гомологію послідовностей нуклеїнових кислот. Гормони росту людини і щури мають 70% гомологію амінокислотних послідовностей, а їх мРНК виявляють 75% гомологію послідовності нуклеїнових кислот. У деяких ділянках мРНК гормону росту щура та хоріонічного соматомаммотропіну людини (мРНК двох різних гормонів у двох біологічних видів) гомологія становить 85% (рис. 2-3). Таким чином, лише мінімальні зміни основ ДНК обумовлюють відмінності гормонів. Отже, ці дані підтверджують висновок, що гени таких гормонів утворилися в ході еволюції із загального попередника. З позицій викладених уявлень про символи і реакції, що викликаються ними, істотно, що кожен з трьох гормонів даної групи має вплив на зростання (див. далі). Гормон зростання є чинником, що визначає лінійне зростання. Пролактин відіграє у процесах лактації і цим забезпечує зростання новонародженого. Хоріонічний соматомаммотропін, хоча його фізіологічне значення точно не встановлено, може істотно впливати на внутрішньоутробний ріст, спрямовуючи харчові речовини, що надходять в організм матері, на ріст плода.