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

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, що 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 харчування.

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.

План:

Вступ

• 1 Білки, що беруть участь у міжклітинній сигналізації
• 2 Білки-рецептори
• 3 Внутрішньоклітинні регуляторні білки
  • 3.1 Білки-регулятори транскрипції
  • 3.2 Фактори регулювання трансляції
  • 3.3 Фактори регуляції сплайсингу
  • 3.4 Протеїнкінази та протеїнфосфатази
Література

Вступ

Регуляторна функція білків― здійснення білками регуляції процесів у клітині або в організмі, що пов'язано з їх здатністю до прийому та передачі інформації. Дія регуляторних білків оборотна і, як правило, вимагає присутності ліганду. Постійно відкривають нові й нові регуляторні білки, нині відома, мабуть, лише мала їх частина.

Існує кілька різновидів білків, що виконують регуляторну функцію:

• білки - рецептори, які сприймають сигнал
• сигнальні білки - гормони та інші речовини, що здійснюють міжклітинну сигналізацію (багато, хоч і далеко не всі, з них є білками або пептидами)
• регуляторні білки, які регулюють багато процесів усередині клітин.

1. Білки, що беруть участь у міжклітинній сигналізації

Білки-гормони (та інші білки, що беруть участь у міжклітинній сигналізації) впливають на обмін речовин та інші фізіологічні процеси.

Гормони- речовини, що утворюються у залозах внутрішньої секреції, переносяться кров'ю та несуть інформаційний сигнал. Гормони поширюються безадресно і діють лише ті клітини, які мають відповідні белки-рецепторы. Гормони зв'язуються із специфічними рецепторами. Зазвичай гормони регулюють повільні процеси, наприклад, зростання окремих тканин і розвиток організму, проте є й винятки: наприклад, адреналін (див. статтю адреналін) – гормон стресу, похідне амінокислот. Він виділяється при дії нервового імпульсу на мозковий шар надниркових залоз. При цьому починає частіше битися серце, підвищується кров'яний тиск і наступають інші реакції у відповідь. Також він діє на печінку (розщеплює глікоген). Глюкоза виділяється в кров, і її використовують мозок та м'язи як джерело енергії.

2. Білки-рецептори

До білків із регуляторною функцією можна віднести також білки-рецептори. Мембранні білки - рецептори передають сигнал із поверхні клітини всередину, перетворюючи його. Вони регулюють функції клітин за рахунок зв'язування з лігандом, що «сів» на цей рецептор зовні клітини; в результаті активується інший білок усередині клітини.

Більшість гормонів діють на клітину тільки якщо на її мембрані є певний рецептор - інший білок або глікопротеїд. Наприклад, β2-адренорецептор знаходиться на мембрані клітин печінки. При стресі молекула адреналіну зв'язується з β2-адренорецептором та активує його. Далі активований рецептор активує G-білок, який приєднує ГТФ. Після багатьох проміжних етапів сигналу відбувається фосфороліз глікогену. Рецептор здійснив першу операцію з передачі сигналу, що веде до розщеплення глікогену. Без нього не було б наступних реакцій усередині клітини.

3. Внутрішньоклітинні регуляторні білки

Білки регулюють процеси, що відбуваються всередині клітин, за допомогою кількох механізмів:

• взаємодії з молекулами ДНК (транскрипційні фактори)
• за допомогою фосфорилювання (протеїнкінази) або дефосфорилювання (протеїнфосфатази) інших білків
• за допомогою взаємодії з рибосомою чи молекулами РНК (чинники регуляції трансляції)
• впливу на процес видалення інтронів (чинники регуляції сплайсингу)
• впливу на швидкість розпаду інших білків (убіквітини та ін.)

3.1. Білки-регулятори транскрипції

Транскрипційний фактор- це білок, який, потрапляючи до ядра, регулює транскрипцію ДНК, тобто зчитування інформації з ДНК на мРНК (синтез мРНК по матриці ДНК). Деякі транскрипційні фактори змінюють структуру хроматину, роблячи його доступнішим для РНК-полімераз. Існують різні допоміжні транскрипційні фактори, що створюють потрібну конформацію ДНК для подальшої дії інших транскрипційних факторів. Ще одна група транскрипційних факторів - це ті фактори, які не зв'язуються безпосередньо з молекулами ДНК, а об'єднуються у складніші комплекси за допомогою білок-білкових взаємодій.

3.2. Фактори регулювання трансляції

Трансляція- синтез поліпептидних ланцюгів білків по матриці мРНК, який виконують рибосоми. Регуляція трансляції може здійснюватися декількома способами, у тому числі і за допомогою білків-репресорів, що зв'язуються з мРНК. Відомо багато випадків, коли репресор є білок, який кодується цієї мРНК. У цьому випадку відбувається регуляція типу зворотного зв'язку (прикладом цього може служити репресія синтезу ферменту треоніл-тРНК-синтетази).

3.3. Фактори регуляції сплайсингу

Усередині генів еукаріотів є ділянки, що не кодують амінокислот. Ці ділянки називаються інтронами. Вони спочатку переписуються на премРНК при транскрипції, але потім вирізуються особливим ферментом. Цей процес видалення інтронів, а потім подальше зшивання кінців ділянок, що залишилися, називають сплайсингом (зшивання, зрощування). Сплайсинг здійснюється за допомогою невеликих РНК, які зазвичай пов'язані з білками, які називаються факторами регуляції сплайсингу. У сплайсингу беруть участь білки, що володіють ферментативною активністю. Вони надають пре-мРНК необхідну конформацію. Для складання комплексу (сплайсосоми) необхідне споживання енергії у вигляді молекул АТФ, що розщеплюються, тому у складі цього комплексу є білки, що володіють АТФ-азною активністю.

Існує альтернативний сплайсинг. Особливості сплайсингу визначаються білками, здатними зв'язуватися з молекулою РНК в областях інтронів або ділянках на межі екзон-інтрон. Ці білки можуть перешкоджати видаленню одних інтронів і водночас сприяти вирізанню інших. Спрямована регуляція сплайсингу може мати значні біологічні наслідки. Наприклад, у плодової мушки дрозофіли альтернативний сплайсинг є основою механізму визначення статі.

3.4. Протеїнкінази та протеїнфосфатази

Найважливішу роль регуляції внутрішньоклітинних процесів грають протеїнкінази - ферменти, які активують чи пригнічують активність інших білків шляхом приєднання до них фосфатних груп.

Протеїнкінази регулюють активність інших білків шляхом фосфолювання - приєднання залишків фосфорної кислоти до залишків амінокислот, що мають гідроксильні групи. При фосфорилюванні зазвичай змінюється функціонування цього білка, наприклад, ферментативна активність, а також положення білка в клітині.

Існують також протеінфосфатази – білки, які відщеплюють фосфатні групи. Протеїнкінази та протеїнфосфатази регулюють обмін речовин, а також передачу сигналів усередині клітини. Фосфорилювання та дефосфорилювання білків – один з головних механізмів регуляції більшості внутрішньоклітинних процесів.

Цикл активації G-білка під впливом рецептора.

завантажити
Даний реферат складено на основі статті з російської Вікіпедії. Синхронізацію виконано 18.07.11 07:59:14
Схожі реферати:

Особливості нервово-м'язового синапсу

Властивості актину

Властивості міозину

Швидкі легковтомлювані

Повільні маловтомлювані

Класифікація з працездатності

Класифікація за кількістю рухових одиниць у м'язі

Двигуна одиниця

Властивості м'язів

1. Провідність

2. Збудливість

3. Скоротність

4. Еластичність - здатність скорочуватися при розтягуванні.

5. Тонус

Два варіанти класифікації скелетних м'язів

1. Анатомічна. За щільністю іннервації (кількість рухових одиниць у м'язі)

2. Функціональна. За працездатністю рухових одиниць

Комплекс, що включає один мотонейрон і м'язові волокна, що іннервуються ним, прийнято називати ДВИГУНОЮ АБО НЕЙРОМОТОРНОЮ ОДИНИЦЮ.

Багаторухових одиниць на один м'яз Щільність іннервації висока 1 мотонейрон інервує 10 – 25 волокон

У м'язах, пристосованих для тонких рухів (пальці, язик, зовнішні м'язи ока).

Малорухових одиниць на один м'яз

Щільність іннервації низька

1 мотонейрон інервує 700 – 1000 волокон)

У м'язах, що підтримують позу, здійснюють "грубі" рухи (м'язи тулуба).

Саркомір – функціональна одиниця скорочувального апарату м'язової клітини.Довжина саркомера 2,5 мкм, діаметр – 1мкм.

Товсті міофіламенти – утворені молекулами міозину, чотири легкі ланцюги міозину та два важкі ланцюги, скручені між собою.

Тяжкі ланцюги міозину - головка міозину та шийка.

Головка має АТФ-азну активність

Шийка еластичними властивостями.

У товстому філаменті 150 молекул міозину.

Під електронним мікроскопом на товстій міофіламенті видно виступи, розташовані під кутом 120 градусів. Вони отримали назву поперечних містків. Ці містки утворені головкою і шийкою молекул міозину, їх довжина 20 нм .

Тонкі міофіламенти збудовані з глобулярних молекул білка актину. Актинові філаменти являють собою закручену подвійну спіраль Таких ниток в саркомері 2000.

Ці нитки одним кінцем прикріплені до Z пластинки, а другий кінець досягає середини саркомера.

Одне м'язове волокно отримує нервовий імпульс від одного синапсу

1. Велика поверхня пресинаптичної мембрани

2. Синаптична щілина містить багато ГАГ, мітохондрій

3. Велика складчастість постсинаптичної мембрани

4. Немає сумації – ПКП відразу перетворюється на ПД.

У поздовжніх борозенках актинової спіралі розташовуються ниткоподібні молекули білка тропоміозину. Тропоміозин закриває активні центри на актинових нитках

До молекули тропоміозину поступово прикріплені молекули тропоніну. Цей білок може пов'язувати катіони Са++

Регуляторні білки - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Регуляторні білки" 2017, 2018.

Постійно відкривають нові й нові регуляторні білки, нині відома, мабуть, лише мала їх частина.

Існує кілька різновидів білків, що виконують регуляторну функцію:

• білки-рецептори, що сприймають сигнал;
• сигнальні білки-гормони та інші речовини, що здійснюють міжклітинну сигналізацію (багато з них, хоча далеко не всі є білками або пептидами);
• регуляторні білки, які регулюють багато процесів усередині клітин.

Білки, що беруть участь у міжклітинній сигналізації

Білки-гормони (та інші білки, що беруть участь у міжклітинній сигналізації) впливають на обмін речовин та інші фізіологічні процеси.

Гормони- це речовини, що утворюються у залозах внутрішньої секреції, переносяться кров'ю та несуть інформаційний сигнал. Гормони поширюються безадресно і діють лише ті клітини, які мають відповідні белки-рецепторы. Гормони зв'язуються із специфічними рецепторами. Зазвичай гормони регулюють повільні процеси, наприклад, зростання окремих тканин та розвиток організму, проте є й винятки: наприклад, адреналін – гормон стресу, похідне амінокислот. Він виділяється при дії нервового імпульсу на мозковий шар надниркових залоз. При цьому починає частіше битися серце, підвищується кров'яний тиск і наступають інші реакції у відповідь. Також він діє печінку (розщеплює глікоген). Глюкоза виділяється в кров, і її використовують мозок та м'язи як джерело енергії.

Білки-рецептори

До білків із регуляторною функцією можна віднести також білки-рецептори. Мембранні білки-рецептори передають сигнал із поверхні клітини всередину, перетворюючи його. Вони регулюють функції клітин за рахунок зв'язування з лігандом, що «сів» на цей рецептор зовні клітини; в результаті активується інший білок усередині клітини.

Більшість гормонів діють на клітину тільки якщо на її мембрані є певний рецептор - інший білок або глікопротеїд. Наприклад, β2-адренорецептор знаходиться на мембрані клітин печінки. При стресі молекула адреналіну зв'язується з β2-адренорецептором та активує його. Далі активований рецептор активує G-білок, який приєднує ГТФ. Після багатьох проміжних етапів сигналу відбувається фосфороліз глікогену. Рецептор здійснив найпершу операцію передачі сигналу, що веде до розщеплення глікогену . Без нього не було б наступних реакцій усередині клітини.

Внутрішньоклітинні регуляторні білки

Білки регулюють процеси, що відбуваються всередині клітин, за допомогою кількох механізмів:

• взаємодії з молекулами ДНК (транскрипційні фактори);
• за допомогою фосфорилювання (протеїнкінази) або дефосфорилювання (протеїнфосфатази) інших білків;
• за допомогою взаємодії з рибосомою чи молекулами РНК (чинники регуляції трансляції);
• на процес видалення інтронів (чинники регуляції сплайсингу);
• впливу на швидкість розпаду інших білків (убіквітини та ін).

Білки-регулятори транскрипції

Транскрипційний фактор- Це білок, який, потрапляючи в ядро, регулює транскрипцію ДНК, тобто зчитування інформації з ДНК на мРНК (синтез мРНК по матриці ДНК). Деякі транскрипційні фактори змінюють структуру хроматину, роблячи його доступнішим для РНК-полімераз. Існують різні допоміжні транскрипційні фактори, що створюють потрібну конформацію ДНК для подальшої дії інших транскрипційних факторів. Ще одна група транскрипційних факторів - це ті фактори, які не зв'язуються безпосередньо з молекулами ДНК, а об'єднуються у складніші комплекси за допомогою білок-білкових взаємодій.

Фактори регулювання трансляції

Трансляція- синтез поліпептидних ланцюгів білків по матриці мРНК, який виконують рибосоми. Регуляція трансляції може здійснюватися декількома способами, у тому числі і за допомогою білків-репресорів, що зв'язуються з мРНК. Відомо багато випадків, коли репресор є білок, який кодується цієї мРНК. У цьому випадку відбувається регуляція типу зворотного зв'язку (прикладом цього може служити репресія синтезу ферменту треоніл-тРНК-синтетази).

Фактори регуляції сплайсингу

Усередині генів еукаріотів є ділянки, що не кодують амінокислот. Ці ділянки називаються інтронами. Вони спочатку переписуються на премРНК при транскрипції, але потім вирізуються особливим ферментом. Цей процес видалення інтронів, а потім подальше зшивання кінців ділянок, що залишилися, називають сплайсингом (зшивання, зрощування). Сплайсинг здійснюється за допомогою невеликих РНК, які зазвичай пов'язані з білками, які називаються факторами регуляції сплайсингу. У сплайсингу беруть участь білки, що володіють ферментативною активністю. Вони надають пре-мРНК необхідну конформацію. Для складання комплексу (сплайсосоми) необхідне споживання енергії у вигляді молекул АТФ, що розщеплюються, тому у складі цього комплексу є білки, що володіють АТФ-азною активністю.

Існує альтернативний сплайсинг. Особливості сплайсингу визначаються білками, здатними зв'язуватися з молекулою РНК в областях інтронів або ділянках на межі екзон-інтрон. Ці білки можуть перешкоджати видаленню одних інтронів і водночас сприяти вирізанню інших. Спрямована регуляція сплайсингу може мати значні біологічні наслідки. Наприклад, у плодової мушки

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 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 катаболітних 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 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, 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 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., додається також до бактерій і клітин еукаріотів (всі організми, за винятком бактерій і синьо-зелених водоростей).

Еукаріотич. клітини реагують на зовніш. сигнали (їм це, напр., ) у принципі як і, як бактеріальні клітини реагують зміни концентрації питат. в-в навколишньому середовищі, т. е. шляхом оборотної репресії чи активації (дерепресії) окремих генів. При цьому Р. б., одночасно контролюють велику кількість 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 повинен бути функціонально активний. Передбачається, що тут задіяно набір специфічних Р. б., які не мають аналогів у прокаріотів. Ці не тільки дізнаються специфічні. ділянки хроматину (чи. ДНК), а й викликають певні структурні зміни у 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 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.

Хімічна енциклопедія - М: Радянська енциклопедія. За ред. І. Л. Кнунянца. 1988 .

Дивитись що таке "РЕГУЛЯТОРНІ БІЛКИ" в інших словниках:

білки- специфічні для пуфів Різнорідна група ядерних білків, що у процесі активації генів у пуфах політенних хромосом; до цих білків відносяться фактори власне транскрипції (РНК полімераза II, регуляторні білки та ін), а також ряд ... Довідник технічного перекладача

Білки специфічні для пуфів- Білки, специфічні для пуфів; * бялкі, специфічні для пуфів; До цих білків відносяться ферменти, що здійснюють…

Цей термін має й інші значення, див. Білки (значення). Білки (протеїни, поліпептиди) є високомолекулярними органічними речовинами, що складаються зі з'єднаних у ланцюжок пептидним зв'язком альфа амінокислот. В живих організмах ... Вікіпедія

Високомол. прир. полімери, побудовані з залишків амінокислот, з'єднаних амідним (пептидним) зв'язком ЧСОЧNHЧ. Кожен Б. характеризується специфічністю. амінокислотною послідовністю та індивідуальною просторів, структурою (конформацією). На… … Хімічна енциклопедія

БІЛКИ, високомолекулярні органічні сполуки, біополімери, побудовані з 20 видів L a амінокислотних залишків, з'єднаних у певній послідовності довгі ланцюги. Молекулярна маса білків варіюється від 5 тис. до 1 млн. Назва ... Енциклопедичний словник

Білки регуляторні- * бялкі регуляторні * regulatory proteins білки, що здійснюють регуляцію матричних процесів шляхом їх посадки на регуляторні області ДНК. Білки, що зв'язуються з пошкодженою ДНК * бялкі, які зв'язуються з пашкоджаною ДНК * DNA damage binding… Генетика. Енциклопедичний словник

Протеїни, високомолекулярні органічні. сполуки, побудовані із залишків амінокислот. Відіграють першорядну роль життєдіяльності, виконуючи багаточисельний. функції у їх будову, розвитку та обміні речовин. Мовляв. м. Б. від БІЛКИ 5000 до мн.

- (Sciurus), рід білицьких. Дл. тіла 20 31 см. Добре лазять та пересуваються по деревах. Довгий (20-30 см) пишний хвіст служить кермом при стрибках. Ок. 40 видів, в Пн. півкулі та на С. Юж. Америки, у гірських та рівнинних лісах, включаючи острівні… Біологічний енциклопедичний словник

БІЛКИ, протеїни, високомолекулярні органічні. сполуки, побудовані із залишків амінокислот. Відіграють першорядну роль життєдіяльності всіх організмів, беручи участь у їх будову, розвитку та обмін речовин. Мовляв. м. Би. від 5000 до мн. мільйонів … Біологічний енциклопедичний словник

білки- білки, протеїни, високомолекулярні органічні речовини, побудовані із залишків амінокислот. Відіграють найважливішу роль у життєдіяльності всіх організмів, входячи до складу їх клітин та тканин та виконуючи каталітичні (ферменти), регуляторні… Сільське господарство. Великий енциклопедичний словник