Существуют несколько подходов к классификации белков: по форме белковой молекулы, по составу белка, по функциям. Рассмотрим их.
Классификация по форме белковых молекул
По форме белковых молекул различают фибриллярные белки и глобулярные белки.
Фибриллярные белки представляют собой длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси и скреплены друг с другом поперечными сшивками (рис. 18,б). Эти белки отличаются высокой механической прочностью, нерастворимы в воде. Они выполняют главным образом структурные функции: входят в состав сухожилий и связок (коллаген, эластин), образуют волокна шелка и паутины (фиброин), волосы, ногти, перья (кератин).
В глобулярных белках одна или несколько полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру – клубок (рис. 18,а). Эти белки, как правило, хорошо растворимы в воде. Их функции многообразны. Благодаря им осуществляются многие биологические процессы, о чем подробнее будет изложено ниже.
Рис. 18. Форма белковых молекул:
а – глобулярный белок, б – фибриллярный белок
Классификация по составу белковой молекулы
Белки по составу можно разделить на две группы: простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислотных остатков и не содержат других химических составляющих. Сложные белки, помимо полипептидных цепей, содержат другие химические компоненты.
К простым белкам относятся РНКаза и многие другие ферменты. Фибриллярные белки коллаген, кератин, эластин по своему составу являются простыми. Запасные белки растений, содержащиеся в семенах злаков, – глютелины , и гистоны – белки, формирующие структуру хроматина, принадлежат также к простым белкам.
Среди сложных белков различают металлопротеины, хромопротеины, фосфопротеины, гликопротеины, липопротеины и др. Рассмотрим эти группы белков подробнее.
Металлопротеины
К металлопротеинам относят белки, в составе которых имеются ионы металлов. В их молекулах встречаются такие металлы, как медь, железо, цинк, молибден, марганец и др. Некоторые ферменты по своей природе являются металлопротеинами.
Хромопротеины
В составе хромопротеинов в качестве простетической группы присутствуют окрашенные соединения. Типичными хромопротеинами являются зрительный белок родопсин, принимающий участие в процессе восприятие света, и белок крови гемоглобин (Hb), четвертичная структура которого рассмотрена в предыдущем параграфе. В состав гемоглобина входит гем , представляющий собой плоскую молекулу, в центре которой расположен ион Fe 2+ (рис. 19). При взаимодействии гемоглобина с кислородом образуется оксигемоглобин . В альвеолах легких гемоглобин насыщается кислородом. В тканях, где содержание кислорода незначительно, оксигемоглобин распадается с выделением кислорода, который используется клетками:
.
Гемоглобин может образовывать соединение с оксидом углерода (II), которое называется карбоксигемоглобином :
.
Карбоксигемоглобин не способен присоединять кислород. Вот почему происходит отравление угарным газом.
Гемоглобин и другие гем-содержащие белки (миоглобин, цитохромы) называют еще гемопротеинами из-за наличия в их составе гема (рис. 19).
Рис. 19. Гем
Фосфопротеины
Фосфопротеины в своем составе содержат остатки фосфорной кислоты, связанные с гидроксильной группой аминокислотных остатков сложноэфирной связью (рис. 20).
Рис. 20. Фосфопротеин
К фосфопротеинам относится белок молока казеин. В его состав входят не только остатки фосфорной кислоты, но и ионы кальция. Фосфор и кальций необходимы растущему организму в больших количествах, в частности, для формирования скелета. Кроме казеина, в клетках много и других фосфопротеинов. Фосфопротеины могут подвергаться дефосфорилированию, т.е. терять фосфатную группу:
фосфопротеин + Н 2 протеин + Н 3 РО 4
Дефосфорилированные белки могут при определенных условиях быть снова фосфорилированы. От наличия фосфатной группы в их молекуле зависит их биологическая активность. Одни белки проявляют свою биологическую функцию в фосфорилированном виде, другие – в дефосфорилированном. Посредством фосфорилирования – дефосфорилирования регулируются многие биологические процессы.
Липопротеины
К липопротеинам относятся белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Эти белки встречаются в составе клеточных мембран. Липидный (гидрофобный) компонент удерживает белок в мембране (рис. 21).
Рис. 21. Липопротеины в клеточной мембране
К липопротеинам относят также белки крови, участвующие в транспорте липидов и не образующие с ними ковалентную связь.
Гликопротеины
Гликопротеины содержат в качестве простетической группы ковалентно связанный углеводный компонент. Гликопротеины разделяют на истинные гликопротеины и протеогликаны . Углеводные группировки истинных гликопротеинов содержат обычно до 15 – 20 моносахаридных компонентов, у протеогликанов они построены из очень большого числа моносахаридных остатков (рис. 22).
Рис. 22. Гликопротеины
Гликопротеины широко распространены в природе. Они встречаются в секретах (слюне и т.д.), в составе клеточных мембран, клеточных стенок, межклеточного вещества, соединительной ткани и т.д. Многие ферменты и транспортные белки являются гликопротеинами.
Классификация по функциям
По выполняемым функциям белки можно разделить на структурные, питательные и запасные белки, сократительные, транспортные, каталитические, защитные, рецепторные, регуляторные и др.
Структурные белки
К структурным белкам относятся коллаген, эластин, кератин, фиброин. Белки принимают участие в формировании клеточных мембран, в частности, могут образовывать в них каналы или выполнять другие функции (рис. 23).
Рис. 23. Клеточная мембрана.
Питательные и запасные белки
Питательным белком является казеин, основная функция которого заключается в обеспечении растущего организма аминокислотами, фосфором и кальцием. К запасным белкам относятся яичный белок, белки семян растений. Эти белки потребляются во время развития зародышей. В организме человека и животных белки в запас не откладываются, они должны систематически поступать с пищей, в противном случае может развиться дистрофия.
Сократительные белки
Сократительные белки обеспечивают работу мышц, движение жгутиков и ресничек у простейших, изменение формы клеток, перемещение органелл внутри клетки. Такими белками являются миозин и актин. Эти белки присутствуют не только в мышечных клетках, их можно обнаружить в клетках практически любой ткани животных.
Транспортные белки
Гемоглобин, рассмотренный в начале параграфа, является классическим примером транспортного белка. В крови присутствуют и другие белки, обеспечивающие транспорт липидов, гормонов и иных веществ. В клеточных мембранах находятся белки, способные переносить через мембрану глюкозу, аминокислоты, ионы и некоторые другие вещества. На рис. 24 схематически показана работа переносчика глюкозы.
Рис. 24. Транспорт глюкозы через клеточную мембрану
Белки-ферменты
Каталитические белки, или ферменты, представляют собой самую многообразную группу белков. Почти все химические реакции, протекающие в организме, протекают при участии ферментов. К настоящему времени открыто несколько тысяч ферментов. Более подробно они будут рассмотрены в следующих параграфах.
Защитные белки
К этой группе относятся белки, защищающие организм от вторжения других организмов или предохраняющие его от повреждений. Иммуноглобулины, или антитела, способны распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы или чужеродные белки, связываться с ними и способствовать их обезвреживанию.
Другие компоненты крови, тромбин и фибриноген, играют важную роль в процессе свертывания крови. Они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудов. Под действием тромбина от молекул фибриногена отщепляются фрагменты полипептидной цепи, в результате этого образуется фибрин :
фибриноген фибрин.
Образовавшиеся молекулы фибрина агрегируют, формируя длинные нерастворимые цепи. Сгусток крови вначале является рыхлым, затем он стабилизируется за счет межцепочечных сшивок. Всего в процессе свертывания крови участвует около 20 белков. Нарушения в структуре их генов является причиной такого заболевания, как гемофилия – сниженная свертываемость крови.
Рецепторные белки
Клеточная мембрана является препятствием для многих молекул, в том числе и для молекул, предназначенных для передачи сигнала внутрь клеток. Тем не менее клетка способна получать сигналы извне благодаря наличию на ее поверхности специальных рецепторов, многие из которых являются белками. Сигнальная молекула, например, гормон, взаимодействуя с рецептором, образует гормон-рецепторный комплекс, сигнал от которого передается далее, как правило, на белковый посредник. Последний запускает серию химических реакций, результатом которых является биологический ответ клетки на воздействие внешнего сигнала (рис. 25).
Рис.25. Передача внешних сигналов в клетку
Регуляторные белки
Белки, участвующие в управлении биологическими процессами, относят к регуляторным белкам. К ним принадлежат некоторые гормоны . Инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови. Гормон роста, определяющий размеры тела, и паратиреоидный гормон, регулирующий обмен фосфатов и ионов кальция, являются регуляторными белками. К этому классу белков принадлежат и другие протеины, участвующие в регуляции обмена веществ.
Интересно знать! В плазме некоторых антарктических рыб содержатся белки со свойствами антифриза, предохраняющие рыб от замерзания, а у ряда насекомых в местах прикрепления крыльев находится белок резилин, обладающий почти идеальной эластичностью. В одном из африканских растений синтезируется белок монеллин с очень сладким вкусом.
0Какие бывают белки
Принципы классификации белков
В настоящее время из органов и тканей человека, животных, растений и микроорганизмов выделено много разнообразных белковых препаратов. Выделены также препараты белков из отдельных частей клетки (например, из ядер, рибосом и т. д.), из неклеточного вещества (сыворотки крови, белка куриного яйца). Полученные препараты имеют различные названия. Однако для систематического изучения белки необходимо распределить по группам т. е. классифицировать. Но это встречает определенные трудности. Если в органической химии вещества классифицируют на основании их химического строения, то в биологической химии строение большинства белков во всех деталях еще не изучено. Кроме того, классифицировать белки на основании только их химического строения очень сложно. Также невозможно дать достаточно обоснованную классификацию белков по их функциям в организме. Очень часто белки, близкие по строению, обладают совершенно различными биологическими функциями (например, гемоглобин и такие ферменты, как каталаза, пероксидаза и цитохромы).
Несколько большие возможности для классификации белков предоставляются при изучении физико-химических свойств белковых веществ. Неодинаковая растворимость белков в воде и других растворителях, различные концентрации солей, необходимые для высаливания белков,- вот обычно те признаки, которые позволяют классифицировать ряд белков. Одновременно принимаются к сведению и некоторые уже известные особенности в химическом строении белков и, наконец, их происхождение и роль в организме.
Весь обширный класс белковых веществ принято разделять на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды. Простые белки при гидролизе распадаются только на аминокислоты, а сложные наряду с аминокислотами дают соединения другого типа, например: углеводы, липиды, гем и т. д. Таким образом, сложные белки, или протеиды, состоят из собственно белкового вещества (белковой части или простого белка) в сочетании с другими небелковыми веществами.
К простым белкам, или протеинам, относят протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины, протеиноиды и другие белки, не принадлежащие ни к одной из перечисленных групп, например многие белки-ферменты, мышечный белок - миозин и др. Группу сложных белков, или протеидов, обычно также подразделяют на несколько подгрупп в зависимости от характера содержащихся в них небелковых компонентов.
Однако подобная классификация имеет весьма относительную ценность. Новейшими исследованиями установлено, что многие простые белки в действительности связаны с небольшим количеством тех или иных небелковых соединений. Так, некоторые протеины можно было бы отнести к группе сложных белков, поскольку они, как оказалось, связаны с небольшим количеством углеводов, иногда липидов, пигментов и т. д. В то же время довольно трудно точно охарактеризовать с химической точки зрения и некоторые сложные белки. Так, например, липопротеиды в некоторых случаях представляют настолько непрочные комплексы, что их можно было бы рассматривать скорее как адсорбционные соединения простых белков с липидами, чем как индивидуальные химические вещества.
Простые белки
Наиболее простыми белками являются протамины и гистоны. Они имеют слабоосновной характер, в то время как абсолютное большинство других - кислый. Основной характер протаминов и гистонов обусловлен тем, что в состав их молекул входит большое количество диаминомонокарбоновых аминокислот, таких, как лизин и аргинин. У этих кислот одна а-аминогруппа связана пептидной связью с карбоксилом, а другая остается свободной. Она и обусловливает слабощелочную среду растворов белков. В соответствии со своим основным характером гистоны и протамины обнаруживают ряд особых, не встречающихся у других белков свойств. Так, эти белки находятся в изоэлектрической точке при щелочной реакции среды. Вот почему протамины и гистоны «свертываются» при кипячении лишь при добавлении щелочи.
Протамины, впервые выделенные Ф. Мишером, содержатся в большом количестве в сперматозоидах рыб. Они характеризуются очень высоким содержанием основных аминокислот (до 80%), особенно аргинина. Кроме того, в протаминах отсутствуют такие аминокислоты, как триптофан, метионин, цистеин, а в большинстве протаминов также и тирозин, и фенилаланин. Протамины - относительно небольшие белки. Они имеют молекулярную массу от 2000 до 12 000. Из ядер мышечных клеток их выделить не удалось.
Гистоны обладают менее основными свойствами, чем протамины. В них содержится лишь 20-30 % диаминомонокарбоновых кислот. Аминокислотный состав гистонов значительно более разнообразен, чем протаминов, однако в них также отсутствует триптофан или его имеется очень небольшое количество. В состав гистонов входят также модифицированные, измененные аминокислотные остатки, например: О-фосфосерин, метилированные производные аргинина и лизина, ацетилированные по свободной аминогруппе производные лизина.
Много гистонов содержится в зобной железе, ядрах клеток железистых тканей. Гистоны не являются однородными белками и могут быть разделены на ряд фракций, отличающихся по химическому составу и биологическим свойствам друг от друга. Классификация гистонов основана на относительных количествах лизина и аргинина. Гистон Н1 очень богат лизином. Для гистона Н2 характерно умеренное содержание этой аминокислоты, причем существует два типа этого гистона - Н2А и Н2В. Гистон НЗ умеренно богат аргинином и содержит цистеин. Гистон Н4 богат аргинином и глицином.
Гистоны одного и того же типа, полученные из различных животных и растений, имеют очень сходные аминокислотные последовательности. Такой консерватизм в эволюции, по-видимому, служит сохранению последовательности, обеспечивающей существенные и специфические функции. Это лучше всего подтверждается тем фактом, что аминокислотные последовательности гистона Н4 из проростков гороха и тимуса быка отличаются только двумя из 102 аминокислотных остатков, присутствующих в молекуле.
Благодаря наличию большого количества свободных аминогрупп протамины и гистоны образуют ионные связи с остатками фосфорной кислоты, входящей в состав ДНК, и способствуют компактной укладке двойной спирали ДНК в образованном комплексе ДНК с данными белками. Комплекс ДНК с гистонами - хроматин содержит ДНК и гистоны в примерно равном количественном отношении.
Кроме взаимодействия с ДНК, гистоны также реагируют друг с другом. Экстракцией хлоридом натрия из хроматина был выделен тетрамер, состоящий из двух молекул гистона НЗ и двух молекул гистона Н4. В этих же условиях гистоны Н2А и Н2В могут быть выделены вместе в виде димера. Современная модель структуры хроматина предполагает, что один тетрамер и два димера взаимодействуют с 200 парами оснований ДНК, что составляет примерно участок длиной около 70 нм. При этом образуется сферическая структура диаметром 11 нм. Считается, что хроматин представляет собой подвижную цепь, составленную из таких единиц. Эта предположительная модель подтверждается различными методами исследования.
Альбумины и глобулины являются хорошо изученными белками, входящими в состав всех животных тканей. Основная масса белков, находящихся в плазме крови, в сыворотке молока, в яичном белке и др., состоит из альбуминов и глобулинов. Их соотношение в различных тканях удерживается в определенных границах.
Альбумины и глобулины отличаются друг от друга по физико-химическим свойствам. Одним из распространенных методов разделения альбуминов и глобулинов является их высаливание с помощью сульфата аммония. Если к раствору белка добавить такое количество сульфата аммония, которое содержится в том же объеме разведенного пополам насыщенного раствора этой соли, из раствора выделяются глобулины. Если их отфильтровать и к фильтрату продолжать добавлять кристаллический сульфат аммония до полного насыщения, в осадок выпадает альбумин. Таким образом, глобулины осаждаются в полунасыщенном растворе сульфата аммония, в то время как альбумины - в насыщенном растворе.
Изучение альбуминов и глобулинов обнаружило и другие различия в их физико-химических свойствах. Оказалось, что альбумины способны растворяться в дистиллированной воде, в то время как для растворения глобулинов к воде нужно добавить небольшое количество соли. На основании этого возможно отделение глобулинов от альбуминов путем диализа белкового раствора. Для этого раствор белка, помещенный в мешочек из полупроницаемого материала, например целлофана, опускают в дистиллированную воду. Раствор белка постепенно обессоливается, а глобулины выпадают в осадок. Их отделяют от оставшихся в растворе альбуминов. Глобулины можно осадить и насыщенным раствором сульфата натрия, в то время как альбумины растворяются в нем.
В больших количествах альбумины и глобулины выделяются с лечебными целями из крови доноров. Препараты альбумина крови человека используются для введения больным, потерявшим много крови, как кровезаменители. Препараты у-глобулина используется как для профилактики, так и для лечения некоторых инфекционных заболеваний. В настоящее время для выделения препаратов альбуминов и глобулинов из крови доноров разработаны методы раздельного осаждения этих белков, основанные на их различной растворимости в растворах, содержащих этиловый спирт в различных концентрациях, на холоде. Таким методом получают высокоочищенные препараты альбумина и разных фракций глобулинов, в дальнейшем используемых в лечебных целях.
Среди простых белков растительного происхождения вызывают интерес глютелины и проламины. Они содержатся в семенах злаков, образуя основную массу клейковины. Клейковина может быть выделена в виде клейкой массы путем растирания муки с водой и постепенного отмывания крахмала медленным током воды. Клеящие свойства крахмального клейстера зависят от наличия в нем клейковины. Чем больше клейковины содержится в зерне злаков, тем более ценным считается это зерно. К глютелинам относятся, например, оризенин, получаемый из риса, и глютенин, получаемый из пшеницы.
Одним из важнейших проламинов и наиболее характерным белком эндоспермы пшеничного зерна является глиадин. Глиадин нерастворим в воде и солевых растворах, но в отличие от других белков растворяется в растворе спирта (70%) и с его помощью извлекается из зерна. Из других представителей проламинов можно назвать гордеин, получаемый из ячменя, и зеин - из кукурузы. Эти белки, подобно глиадину, экстрагируются из клейковины раствором спирта (70-80 %). Всепроламины характеризуются относительно высоким содержанием пролина.
Отличительной особенностью белков опорных тканей является их полная нерастворимость в воде, солевых растворах, разведенных кислотах и щелочах. Их объединили под общим названием протеиноидов, что значит белковоподобные. Эти белки относятся к фибриллярным, или волокнистым, белкам, частицы которых имеют форму более или менее вытянутых волокон или нитей. Вследствие нерастворимости протеиноидов в воде на них не действуют ферменты пищеварительных соков. Протеиноиды, как правило, непригодны для питания. К ним относятся, например, белки рогов, копыт, шерсти, волос и др. В то же время ряд белков опорных тканей способен перевариваться пищеварительными соками. Это белки костной ткани, сухожилий, хрящей.
Из отдельных представителей протеиноидов большой интерес представляет коллаген, входящий в состав соединительной ткани (рис. 1). Простейшим методом его получения является обработка костей разведенной соляной кислотой. При этом минеральные вещества переходят в раствор, а коллаген остается. Биологическим предшественником коллагена является проколлаген. Он наряду с коллагеном найден в коже и других тканях. Этот белок удалось выделить в кристаллическом виде. От коллагена он отличается как своим аминокислотным составом (в нем много содержится аминокислоты пролина, в то время как в коллагене - гидроксипролина), так и тем, что расщепляется всеми ферментами, гидролизующими белки.
Белковое вещество сухожилий и связок носит название эластина. Этот протеиноид несколько легче поддается действию пищеварительных соков, чем коллаген.
Кератины являются характерными протеиноидами волос, рогов, ногтей, эпидермиса и шерсти. В их состав входит относительно большое количество цистеина и цистина.
Фиброины являются протеиноидами, вырабатываемыми в прядильных железах насекомых: пауков, гусениц некоторых бабочек (шелкопрядов) и др. Фиброин шелка, составляющий основную массу шелковой нити, выделяется в жидком виде, но затем быстро затвердевает. Шелковые нити, идущие на изготовление тканей, представляют собой фиброин, освобожденный от клея серицина.
Сложные белки
Важнейшими сложными белками являются нуклео-протеиды, хромопротеиды, гликопротеиды, фосфопротеиды, липопротеиды. К группе сложных белков относятся белки, в состав которых, помимо белковой части, входит та или иная небелковая группа - простетическая группа. Она освобождается при гидролизе протеидов наряду с продуктами гидролитического расщепления белковой молекулы- аминокислотами. Так, нуклеоп роте иды дают при гидролизе нуклеиновые кислоты и продукты их распада, гликопротеиды - углеводы и близкие к углеводам вещества, фосфопротеиды - фосфорную кислоту, хромопротеиды - окрашенную группировку, чаще всего гем, липопротеиды - различные липиды. Сложные белки-ферменты можно также расщепить на белковую часть и небелковую простетическую группу. Все эти простетические группы, более или менее прочно связанные с белковым компонентом сложного белка, в большинстве случаев хорошо изучены с химической точки зрения.
Рис. 1. Схема структуры коллагена.
Среди сложных белков очень большой интерес представляют нуклеопротеиды. Значение нуклеопротеидов определяется прежде всего тем, что из этих белков, как показывает их название, состоит основная масса чрезвычайно важной части клетки - клеточного ядра. Ядро является центром управления жизнедеятельности клетки. Такие процессы, как деление клетки, передача наследственной информации, управление биосинтезом белков, осуществляются при участии ядерных структур. Нуклео-протеиды, а точнее дезоксирибонуклеопротеиды, могут быть выделены из зобной железы, селезенки, из сперматозоидов, ядерных эритроцитов птиц и некоторых других тканей. В их составе, помимо белковой части, находится дезоксирибонуклеиновая кислота, ответственная за хранение и передачу наследственной информации.
В то же время другой тип нуклеопротеидов - рибонуклеопротеиды входят в состав по преимуществу цитоплазмы клеток, принимая непосредственное участие в образовании важнейших биологических систем, в первую очередь системы биосинтеза белка. В клетке рибонуклеопротеиды являются составной частью клеточной органеллы - рибосомы.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) входит в хроматин - сложный нуклеопротеид, из которого состоят хромосомы. Кроме того, в клетке существует несколько типов рибонуклеиновой кислоты (РНК). Есть информационная РНК (иРНК), которая синтезируется при считывании информации с ДНК и на которой потом синтезируется полипептидная цепь; транспортная РНК (тРНК), доставляющая аминокислоты к иРНК, и рибосомальная РНК (рРНК), входящая в состав клеточных органелл - рибосом, которые образуют комплексы с иРНК В этих комплексах при участии всех трех типов РНК и аминокислот происходит синтез белка.
Нуклеиновые кислоты, находящиеся в составе нуклеотидов, представляют огромный интерес и как компоненты вирусов, занимающих промежуточное место между молекулами сложных белков и самыми мелкими болезнетворными микроорганизмами. Многие вирусы могут быть получены в кристаллической форме. Эти кристаллы представляют собой совокупность вирусных частиц, а те в свою очередь состоят из белкового «футляра» и находящейся внутри него спирализованной молекулы нуклеиновой кислоты (рис. 2). Белковый «футляр» (оболочка вируса) построен из большого количества субъединиц - молекул белка, соединенных между собой с помощью ионных и гидрофобных связей. Причем связь между белковой оболочкой и нуклеиновой кислотой у вирусных частиц весьма непрочна. При проникновении некоторых вирусов в клетку белковая оболочка остается на поверхности, нуклеиновая кислота внедряется в клетку и заражает ее. При участии этой нуклеиновой кислсты в клетке синтезируются белки вируса и вирусная нуклеиновая кислота, что приводит в конечном итоге к образованию большого количества новых вирусных частиц и гибели зараженной клетки. Все это позволяет считать вирусную частицу - гигантскую молекулу сложного белка-нуклеопротеида - своеобразной сверхмолекулярной структурой. Вирусы - это промежуточное звено между химическими веществами и сложными биологическими системами. Вирусы, как нуклеопротеиды, как бы заполняют разрыв между «химией» и «биологией», между веществом и существом.
Белковыми компонентами сложных белков клеточного ядра, помимо уже известных нам белков основного характера, гистонов и протаминов, являются и некоторые кислые белки, так называемые негистоновые белки хроматина, основной функцией которых является регуляция активности дезоксирибонуклеиновой кислоты, как основного хранителя генетической информации.
Рис. 2. Вирус мозаичной болезни табака: 1 - спираль РНК; 2 - субъединицы белка, образующие защитный футляр.
Хромопротеиды - сложные белки, которые состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного химического соединения. Это соединение может принадлежать к самым различным типам химических веществ, однако чаще всего такое органическое соединение образует еще и комплекс с металлом - железом, магнием, кобальтом.
К хромопротеидам относятся такие важные белки, как гемоглобины, при помощи которых осуществляется перенос кислорода с кровью в ткани, и миоглобин - белок мышечных клеток позвоночных и беспозвоночных. Миоглобин в четыре раза меньше, чем гемоглобин. Он забирает кислород у гемоглобина и снабжает им мышечные волокна. Кроме того, к хромопротеидам относится гемоцианин, переносящий кислород у многих беспозвоночных. Этот гигантский по размерам молекулы белок содержит медь вместо железа, как в гемоглобине, и потому имеет голубой цвет. Поэтому кровь ракообразных, кальмаров, осьминогов голубая в отличие от красной крови животных.
В растениях содержится хромопротеид зеленого цвета - хлорофилл. Его небелковая часть очень напоминает небелковую часть гемоглобина, только вместо железа она содержит магний. С помощью хлорофилла растения фиксируют энергию солнечных лучей и используют ее для фотосинтеза.
Фосфопротеиды - это сложные белки, при гидролизе которых наряду с аминокислотами получается более или менее значительное количество фосфорной кислоты. Важнейшим представителем этой группы белков является казеиноген молока. Помимо казеиногена, к группе фосфопротеидов относятся ововителлин - белок, выделенный из яиц, ихтулин - белок, полученный из рыбьей икры, и некоторые другие. Большой интерес представляют фосфопротеиды, обнаруженные в клетках мозга. Установлено, что фосфор этих белков обладает очень высокой скоростью обновления.
Гликопротеиды - сложные белки, небелковая группа которых является производным углеводов. Отделение углеводного компонента от гликопротеидов часто сопровождается полным или частичным гидролизом гликопротеида. Таким образом, при гидролизе различных гликопротеидов
получаются наряду с аминокислотами и продукты гидлиза углеводной группы: манноза, галактоза, фукоза, ксозамины, глюкуроновая, нейраминовая кислоты и др. составе простетической группы различных гликопроидов обычно находятся не все перечисленные вещества, некоторых гликопротеидов углеводная часть непрочно связана с белковым компонентом и легко от него отляется. Простетические группы некоторых гликопротеинов, известные под общим названием мукополисахаридов (более современное название - гликозаминогликалы), встречаются в тканях и в свободном виде. Такими важнейшими мукополисахаридами являются гиалуроноваяя и хондроитинсерная кислоты, входящие в состав соединительной ткани.
Гликопротеиды входят в состав всех тканей и носят соответственно названия: хондромукоиды (из хряща), стеомукоиды (из костей), овомукоиды (из яичного белка), муцин (в слюне). Они присутствуют также в связках и сухожилиях и имеют большое значение. Например, высокая вязкость слюны, связанная с наличием в ней муцина, облегчает проскальзывание пищи в желудок, защищая слизистую оболочку полости рта от механических повреждений и раздражений химическими веществами.
В настоящее время принято разделять все гликоротеиды на две большие группы: собственно гликопротеиды и полисахарид-белковые комплексы. Первые имеют небольшое число разных моносахаридных остатков, лишенных повторяющегося звена и присоединенных ковалентно к полипетидной цепи. Большинство сывороточых белков является гликопротеидами. Полагают, что эти гетерополисахаридные цепочки являются для сывороточных белков как бы почтовыми открытками, по которым белки распознаются теми или иными тканями. В то же время гетерополисахаридные цепочки, находящиеся на поверхности клеток, являются адресами, по которым эти белки следуют, чтобы попасть в клетки именно той ткани, не другой.
Полисахарид-белковые комплексы имеют большое количество углеводных остатков в полисахаридной части, в ней всегда можно выделить повторяющиеся звенья, в одних случаях связь белок - углевод бывает ковалентная, в других - электростатическая. Из полисахарид-белковых комплексов большую роль играют протеогликаны. Они образуют внеклеточную основу соединительной ткани и могут составлять до 30 % сухой массы ткани. Это вещества, содержащие большое количество отрицательно заряженных группировок, множество различных гетерополисахаридных боковых цепей, ковалентно связанных с полипептидным остовом. В отличие от обычных гликопротеидов, которые содержат несколько процентов углеводов, в протеогликанах до 95 % и более углеводов. По своим физико-химическим свойствам они больше напоминают полисахариды, чем белки. Полисахаридные группы протеогликанов можно получить с хорошим выходом после обработки их протеолитическими ферментами. Протеогликаны выполняют несколько биологических функций: во-первых, механическую, так как они защищают суставные поверхности и служат смазочным материалом; во-вторых, являются ситом, задерживающим крупномолекулярные частицы, и способствуют проникновению через протеогликановый барьер только низкомолекулярных частиц; в-третьих, связывают катионы, причем настолько прочно, что даже катионы К + и Na + , связанные с протеогликанами, почти не диссоциируют и их ионные свойства не проявляются. Катионы же Са 2+ не просто связываются протеогликанами, а и способствуют объединению их молекул.
В клеточных оболочках микроорганизмов содержатся полисахарид-белковые комплексы еще более прочные. В этих комплексах вместо белков находятся пептиды, и поэтому они носят название пептидогликанов. Практически вся клеточная оболочка представляет собой одну гигантскую макромолекулу мешковидного типа - пептидогликан, причем его структура может несколько варьировать в зависимости от вида бактерии. Если углеводная часть пептидогликана у бактерий разного вида практически одинакова, то в белковой части происходит варьирование как аминокислот, так и их последовательности в зависимости от вида бактерий. Связи между углеводами и пептидами в пептидогликанах ковалентные и очень прочные.
Сложные белки липопротеиды состоят из белковой части и связанной с ней в различных соотношениях липидной - жировой части. Липопротеиды обычно нерастворимы в эфире, бензоле, хлороформе и других органических растворителях. Однако известны соединения липидов с белками, которые по своим физико-химическим свойствам стоят уже ближе к типичным липидам и липоидам, т. е. жироподобным веществам, чем к белкам. Такие вещества называются протеолипидами.
Способностью соединяться с липидами с образованием более или менее прочных комплексов обладает целый ряд белков: альбумины, некоторые фракции глобулинов, белки клеточных мембран и некоторых микроструктур клетки. В живом организме с различными липидами и липоидами могут быть связаны простые белки. Чаще всего связь между белком и липидом в таких случаях нековалентная, но тем не менее она прочная, и даже при обработке органическими растворителями в мягких условиях липиды не отделяются от белка. Это возможно только при денатурации белковой части.
Липопротеиды играют важную роль в образовании структурных компонентов клетки, особенно в формировании разнообразных мембран клетки: митохондриальной, микросомальной и т. д. Очень много липопротеидов входит в состав нервной ткани. Они выделены и из белого, и из серого вещества головного мозга. В крови человека и животных также имеются липопротеиды.
Среди белков, наделенных каталитическими функциями,- ферментов можно также встретить не только простые, но и сложные белки, состоящие из белкового компонента и небелковой группы. К таким протеидам относятся ферменты, катализирующие различные окислительно-восстановительные процессы. Небелковые группы некоторых из них близки по строению и свойствам к небелковым группам гемоглобина - гему и обладают выраженной окраской, что позволяет их отнести к группе хромопротеидов. Существует целый ряд белков-ферментов, которые содержат атомы того или иного металла (железа, меди, цинка и др.), непосредственно связанные с белковой структурой. Эти сложные белки-ферменты называют металлопротеидами.
К железосодержащим белкам относятся ферритин, трансферрин, гемосидерин. Трансферрин - растворимый в воде железопротеид с молекулярной массой около 90 000, находящийся главным образом в сыворотке крови во фракции в-глобулинов. Белок содержит 0,13 % железа; это примерно в 150 раз меньше, чем в ферритине. Железо соединяется с белком с помощью гидроксильных групп тирозина. Трансферрин - физиологический переносчик железа в организме.
Известен ряд ферментов, активность которых зависит от присутствия металлов в составе белковой молекулы. Это алкогольдегидрогеназа, содержащая цинк, фосфогидролазы, включающие магний, цитохромоксидаза, содержащая медь, и другие ферменты.
Кроме перечисленных групп белков, можно выделить и более сложные надмолекулярные комплексы, в составе которых одновременно присутствуют белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. В мозговой ткани, например, содержатся липонуклеопротеиды, липогликопротеиды, липогликонуклеопротеиды.
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
До настоящего времен нет единой и стройной классификации, учитывающей различные параметры белков. В основе имеющихся классификаций обычно лежит один признак. Так, белки можно классифицировать:
По форме молекул (глобулярные или фибриллярные);
По молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.);
По химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части);
По выполняемым функциям (транспортные, защитные, структурные белки и др.);
По локализации в клетке (ядерные, цито-плазматические, лизосомальные и др.);
По локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.);
По возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные);
По продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с Т 1/2 менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, Т 1/2 которых исчисляют неделями и месяцами);
По схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).
Классификация белков по химическому строению
1. Простые белки
Некоторые белки содержат в своём составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. Их называют "простые белки". Примером простых белков - гистоны; в их составе содержится много аминокислотных остатков лизина и аргинина, радикалы которых имеют положительный заряд.
2. Сложные белки
Очень многие белки, кроме полипептидных цепей, содержат в своём составе небелковую часть, присоединённую к белку слабыми или ковалентными связями. Небелковая часть может быть представлена ионами металлов, какими-либо органическими молекулами с низкой или высокой молекулярной массой. Такие белки называют "сложные белки". Прочно связанная с белком небелковая часть носит название простетической группы.
Простетическая группа может быть представлена веществами разной природы. Например, белки, соединённые с гемом, носят название гемопротеины. В состав гемопротеинов, кроме уже рассмотренных выше белков гемоглобинов и миоглобина, входят ферменты - цитохромы, каталаза и пероксидаза. Гем, присоединённый к разным белковым структурам, выполняет в них характерные для каждого из белков функции (например, в составе гемоглобина переносит О 2 , а в составе цитохромов - электроны).
Белки, соединённые с остатком фосфорной кислоты, называют фосфопротеинами. Фосфорные остатки присоединяются сложноэфирной связью к гидроксильным группам серина, треонина или тирозина при участии ферментов, называемых протеинкиназами.
В состав белков часто входят углеводные остатки, придающие белкам дополнительную специфичность и часто уменьшающие скорость их ферментативного протеолиза. Такие белки носят название гликопротеинов. Многие белки крови, а также рецепторные белки клеточной поверхности относят к гликопротеинам.
Белки, функционирующие в комплексе с липидами, называют липопротеинами, а в комплексе с металлами - металлопротеинами.
Сложный белок, состоящий из белковой части (апопротеин) и небелковой части (простетическая группа), называют "холопротеин".
Классификация белков по функциям
1. Ферменты - специализированные белки, ускоряющие течение химических реакций. Благодаря ферментам в клетке скорости химических реакций возрастают в миллионы раз. Так как ферменты, как и любые белки, имеют активный центр, они специфически связывают определённый лиганд (или группу похожих лигандов) и катализируют определённый тип химического превращения данной молекулы. Например, протеолитический фермент трипсин разрушает в белках пептидные связи, образованные карбоксильной группой основных аминокислот - аргинина или лизина. Фермент рибонуклеаза расщепляет фосфоэфирную связь между нуклеотидами в полинуклеотидной цепи.
2. Регуляторные белки - большую группу белковых гормонов, участвующих в поддержании постоянства внутренней среды организма, которые воздействуют на специфические клетки-мишени. Например, гормон инсулин выделяется в кровь при повышении концентрации глюкозы в крови после еды и, стимулируя использование глюкозы клетками, снижает концентрацию глюкозы до нормы, т.е. восстанавливает гомеостаз.
Кроме того, к регуляторным относят белки, присоединение которых к другим белкам или иным структурам клетки регулирует их функцию. Например, белок кальмодулин в комплексе с четырьмя ионами Са 2+ может присоединяться к некоторым ферментам, меняя их активность.
Регуляторные ДНК-связывающие белки, присоединяясь в определённые моменты к специфичным участкам ДНК, могут регулировать скорость считывания генетической информации.
3. Рецепторные белки Сигнальные молекулы (гормоны, нейромедиаторы) действуют на внутриклеточные процессы через взаимодействие со специфическими белками-рецепторами. Так, гормоны, циркулирующие в крови, находят клетки-мишени и воздействуют на них, специфично связываясь с белками-рецепторами, обычно встроенными в клеточную мембрану. Для гидрофобных регуляторных молекул, проходящих через клеточную мембрану, рецепторы локализуются в цитоплазме клеток.
4. Транспортные белки Многие белки крови участвуют в переносе специфических лигандов из одного органа к другому. Часто в комплексе с белками переносятся молекулы, плохо растворимые в воде. Так, белок плазмы крови альбумин переносит жирные кислоты и билирубин (продукт распада тема), а гемоглобин эритроцитов участвует в переносе О 2 от лёгких к тканям. Стероидные гормоны переносятся в крови специфическими транспортными белками.
Транспортные белки участвуют также в переносе гидрофильных веществ через гидрофобные мембраны. Так как транспортные белки обладают свойством специфичности взаимодействия с лигандами, их набор в клеточной мембране определяет, какие гидрофильные молекулы могут пройти в данную клетку. С помощью белков-переносчиков в клетку проникают глюкоза, аминокислоты, ионы и другие молекулы.
5. Структурные белки Некоторые белки, расположенные определённым образом в тканях, придают им форму, создают опору, определяют механические свойства данной ткани. Например, как уже говорилось выше, главным компонентом хрящей и сухожилий является фибриллярный белок коллаген, имеющий высокую прочность. Другой структурный белок (эластин) благодаря своему уникальному строению обеспечивает определённым тканям свойство растягиваться во всех направлениях (сосуды, лёгкие).
6. Защитные белки Некоторые белки, в частности иммуноглобулины, обладают способностью узнавать и связывать чужеродные молекулы, вирусные частицы и бактерии, в результате чего происходит их нейтрализация. Кроме того, комплекс чужеродной частицы с иммуноглобулином легко узнаётся и уничтожается клетками иммунной системы.
Защитными свойствами обладают белки свёртывающей системы крови, например фибриноген, тромбин. Они участвуют в формировании тромба, который закупоривает повреждённый сосуд и препятствует потере крови.
7. Сократительные белки Некоторые белки при выполнении своих функций наделяют клетку способностью либо сокращаться, либо передвигаться. К таким белкам относят актин и миозин - фибриллярные белки, участвующие в сокращении скелетных мышц. Другой пример таких белков - тубулин, из которого построены клеточные органеллы - микротрубочки. Микротрубочки в период деления клетки регулируют расхождение хроматид. Микротрубочки - важные элементы ресничек и жгутиков, с помощью которых клетки передвигаются.
По химическому составу – простые и сложные
Простые белки (протеины) – молекулы состоят только из аминокислот.
Подразделяются по растворимости в воде на группы :
- протамины
- гистоны
- альбумины
- глобулины
- проламины
- глютелины
Сложные белки (протеиды)
Виды сложных белков:
- липопротеиды
- гликопротеиды
- фосфопротеиды
- металлопротеиды
- нуклеопротеиды
- хромопротеиды
15. Сложные белки: определение, классификация по небелковому компоненту. Краткая характеристика представителей .
Сложные белки (протеиды) – помимо полипептидной цепи имеются небелковые компоненты, представленные углеводами (гликопротеиды), липидами (липопротеиды), нуклеиновыми кислоты (нуклеопротеиды), ионами металла (металлопротеиды), фосфатной группой (фосфопротеиды), пигментами (хромопротеиды) и т. д.
Виды сложных белков:
- липопротеиды
- гликопротеиды
- фосфопротеиды
- металлопротеиды
- нуклеопротеиды
- хромопротеиды
| Вид сложных белков | Примеры |
| Липопротеиды | Хиломикроны, ЛПОНП (липопротеиды очень низкой плотности), ЛППП (липопротеиды промежуточной плотности), ЛПНП (липопротеиды низкой плотности), ЛПВП (липопротеиды высокой плотности) и др. |
| Гликопротеиды | Муцины, мукоиды, церулоплазмин, орозомукоид, трансферины, протромбин, иммуноглобулины и др. |
| Фосфопротеиды | Казеин, овальбумин, вителлин и др. |
| Металлопротеиды | Гемэритрин, гемоцианин, ферритин, трансферрин |
| Нуклеопротеиды | Дезоксирибонуклепротеиды (ДНП), рибонуклеопротеиды (РНП) |
| Хромопротеиды | Цитохромы, каталаза, пероксидаза, гемоглобин, миоглобин, эритрокруорины, хлорокруорины |
16.Биологические функции белков. Способность к специфическим взаимодействиям («узнавание») как основа биологических функций всех белков. Типы природных лигандов и особенности их взаимодействия с белками.
Каждый индивидуальный белок, имеющий уникальную первичную структуру и конформацию, обладает и уникальной функцией, отличающей его от остальных белков. Набор индивидуальных белков выполняет в клетке множество разнообразных и сложных функций. Необходимое условие для функционирования белков - присоединение к нему другого вещества, которое называют "лиганд ". Лигандами могут быть как низкомолекулярные вещества, так и макромолекулы. Взаимодействие белка с лигандом высокоспецифично и обратимо, что определяется строением участка белка, называемого центром связывания белка с лигандом или активным центром.
Активный центр белков - определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении ("кармане"), сформированный радикалами аминокислот, собранных на определённом пространственном участке при формировании третичной структуры и способный комплементарно связываться с лигандом. В линейной последовательности полипептидной цепи радикалы, формирующие активный центр, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому даже незначительные нарушения общей конформации белка в результате точечных изменений его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать связывание белка с лигандом и его функцию. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности.
Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим изменениям и "подгоняется" под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными.
Биологические функции белков:
17. Различие белкового состава органов и тканей. Изменение белкового состава при онтогенезе и болезнях.(ферменты это белковые молекулы кроч одно и тоже)
.Различия ферментного состава органов и тканей. Органоспецифические ферменты. Изменение ферментов в процессе развития.
Сравнение множества клеток самых разных типов показывает, что набор содержащихся в них ферментов во многом сходен. По-видимому, во всех живых организмах протекают в основном одни и те же метаболические процессы; некоторые различия, касающиеся конечных продуктов обмена, отражают скорее наличие или отсутствие того или иного фермента, нежели изменение общего характера метаболизма. Сложные системы углеводного обмена, состоящие из ферментов, коферментов и переносчиков, образуют главный поставляющий энергию механизм у животных, растений, плесневых грибов, дрожжей и у большинства других микроорганизмов. Однако в характере метаболизма, химическом составе и строении различных тканей и различных организмов имеются и бесспорные различия. Что касается метаболизма, то особенности его в соответствующих органах или тканях, несомненно, определяются набором ферментов. Различия в химическом составе органов и тканей тоже зависят от их ферментного состава, в первую очередь от тех ферментов, которые участвуют в процессах биосинтеза. Не исключено, что и более очевидные различия, касающиеся строения и формы тех или иных органов и тканей, также имеют энзимологическую природу: Известно, что строение и форма находятся под контролем генов; контроль осуществляется путем образования специфических белков, из которых главными для организации тканей являются ферменты я транспортные системы. Продуктами генов могут быть также белки, не обладающие каталитическими свойствами, но играющие важную роль в «встраивании» ферментных белков в соответствующие структурные ансамбли, например мембраны; однако такие молекулы можно рассматривать как компоненты катализаторов, поскольку они находятся в теснейшей взаимосвязи с ними.
Изменение активности ферментов при болезнях. Наследственные энзимопатии. Происхождение ферментов крови и значение их определения при болезнях.
В основе многих заболеваний лежат нарушения функционирования ферментов в клетке - энзимопатии . Различают первичные (наследственные) и вторичные (приобретённые) энзимопатии. Приобретённые энзимопатии, как и вообще протеинопатии, по-видимому, наблюдают при всех болезнях.
При первичных энзимопатиях дефектные ферменты наследуются, в основном, по аутосомнорецессивному типу. Гетерозиготы, чаще всего, не имеют фенотипических отклонений. Первичные энзимопатии обычно относят к метаболическим болезням, так как происходит нарушение определённых метаболических путей. При этом развитие заболевания может протекать
по одному из ниже перечисленных "сценариев". Рассмотрим условную схему метаболического пути:
Вещество А в результате последовательных ферментативных реакций превращается в продукт Р. При наследственной недостаточности какого-либо фермента, например фермента Е3, возможны разные нарушения метаболических путей:
Нарушение образования конечных продуктов . Недостаток конечного продукта этого метаболического пути (Р) (при отсутствии альтернативных путей синтеза) может приводить к развитию клинических симптомов, характерных для данного заболевания:
· Клинические проявления. В качестве примера можно рассмотреть альбинизм. При альбинизме нарушен синтез в меланоцитах пигментов - меланинов. Меланин находится в коже, волосах, радужке, пигментном эпителии сетчатки глаза и влияет на их окраску. При альбинизме наблюдают слабую пигментацию кожи, светлые волосы, красноватый цвет радужки глаза из-за просвечивающих капилляров. Проявление альбинизма связано с недостаточностью фермента тирозингидроксилазы (тирозиназы) - одного из ферментов, катализирующего метаболический путь образования меланинов
Накопление субстратов-предшественников . При недостаточности фермента Е3 будут накапливаться вещество С, а также во многих случаях и предшествующие соединения. Увеличение субстратов-предшественников дефектного фермента - ведущее звено развития многих заболеваний:
· Клинические проявления. Известно заболевание алкапгонурия, при котором нарушено окисление гомогентизиновой кислоты в тканях (гомогентизиновая кислота - промежуточный метаболит катаболизма тирозина). У таких больных наблюдают недостаточность фермента окисления гомогентизиновой кислоты - диоксигеназы гомогентизиновой кислоты, приводящей к развитию заболевания. В результате увеличиваются концентрация гомогентизиновой кислоты и выведение её с мочой. В присутствии кислорода гомогентизиновая кислота превращается в соединение чёрного цвета - алкаптон. Поэтому моча таких больных на воздухе окрашивается в чёрный цвет. Алкаптон также образуется и в биологических жидкостях, оседая в тканях, коже, сухожилиях, суставах. При значительных отложениях алкаптона в суставах нарушается их подвижность.
Нарушение образования конечных продуктов и накопление субстратов предшественников . Отмечают заболевания, когда одновременно недостаток продукта и накопление исходного субстрата вызывают клинические проявления.
· Клинические проявления. Например, у людей с болезнью Гирке (гликогеноз I типа) наблюдают снижение концентрации глюкозы в крови (гипогликемия) в перерывах между приёмами пищи. Это связано с нарушением распада гликогена в печени и выходом из неё глюкозы вследствие дефекта фермента глюкозо-6-фосфатфосфатазы. Одновременно у таких людей увеличиваются размеры печени (гепатомегалия) вследствие накопления в ней не используемого гликогена.
Особый интерес для клиники представляет исследование активности индикаторных ферментов в сыворотке крови, так как по появлению в плазме или сыворотке крови ряда тканевых ферментов в повышенных количествах можно судить о функциональном состоянии и поражении различных органов (например, печени, сердечной и скелетной мускулатуры). При остром инфаркте миокарда особенно важно исследовать активность креатинкиназы, АсАТ, ЛДГ и оксибутиратдегидрогеназы. При заболеваниях печени, в частности при вирусном гепатите (болезнь Боткина), в сыворотке крови значительно увеличиваетсяактивность АлАТ и АсАТ, сорбитолдегидрогеназы, глутаматдегидрогеназы и некоторых других ферментов. озрастание активности ферментов сыворотки крови при многих патологических процессах объясняется прежде всего двумя причинами: 1) выходом в кровяное русло ферментов из поврежденных участков органов или тканей на фоне продолжающегося ихбиосинтеза в поврежденных тканях; 2) одновременным повышением каталитической активности некоторых ферментов, переходящих вкровь. Возможно, что повышение активности ферментов при «поломке» механизмов внутриклеточной регуляции обмена веществсвязано с прекращением действия соответствующих регуляторов и ингибиторов ферментов, изменением под влиянием различных факторов строения и структуры макромолекул ферментов.
18. Ферменты, история открытия. Особенности ферментативного катализа. Специфичность действия ферментов. Классификация и номенклатура ферментов.
Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения.
В кон. ХVIII - нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках. Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха - с другой, о природе спиртового брожения. Собственно ферментами (от лат. fermentum - закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим (от греч. ἐν- - в- и ζύμη - дрожжи, закваска) предложен в 1876 году В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 году Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 году Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено еще несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана.
Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila.Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.
Важнейшие особенности ферментативного катализа - эффективность, специфичность и чувствительность к регуляторным воздействиям. Ферменты увеличивают скорость превращения субстрата по сравнению с неферментативной реакцией в 10 9 -10 12 раз. Столь высокая эффективность обусловлена особенностями строения активного центра. Принято считать, что активный центр комплементарен переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт. Благодаря этому стабилизируется переходное состояние и понижается активационный барьер. Большинство ферментов обладает высокой субстратной специфичностью, т. е. способностью катализировать превращение только одного или несколько близких по структуре веществ. Специфичность определяется топографией связывающего субстрат участка активного центра.
Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в т.ч. благодаря образованию изоферментов, которы катализируют идентичные реакции, но отличаются строением и каталитическими свойствами), а также условиями среды (рН, температура, ионная сила раствора) и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных концентрациях), продукты реакции, а также конечные продукты в цепи последовательных превращений вещества Ферментативные реакции чувствительны к внешним условиям, в частности к ионной силе раствора и рН среды. Влияние температуры на скорость ферментативной реакции описывается кривой с максимумом, восходящая ветвь которой отражает обычную для химической реакций зависимость, выраженную уравнением Аррениуса. Нисходящая ветвь связана с тепловой денатурацией фермента.
Биологическая функция фермента, как и любого белка, обусловлена наличием в его структуре активного центра. Лиганд, взаимодействующий с активным центром фермента, называют субстратом. В активном центре фермента есть аминокислотные остатки, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата, и аминокислотные остатки, функциональные группы которых осуществляют химическое превращение субстрата. Условно эти группы обозначают как участок связывания субстрата и каталитический участок, однако следует помнить, что не всегда эти участки имеют чёткое пространственное разделение и иногда могут "перекрываться" . В участке связывания субстрат при помощи нековалентных связей взаимодействует (связывается) с ферментом, формируя фермент-субстратный комплекс. В каталитическом участке субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем высвобождается из активного центра фермента. Схематично процесс катализа можно представить следующим уравнением:
Е + S ↔ ES ↔ ЕР ↔ Е + Р,
где Е - фермент (энзим), S - субстрат, Р - продукт.
Специфичность - наиболее важное свойство ферментов, определяющее биологическую значимость этих молекул. Различают субстратную и каталитическую специфичности фермента, определяемые строением активного центра. Под субстратной специфичностью понимают способность каждого фермента взаимодействовать лишь с одним или несколькими определёнными субстратами. Различают:
1. абсолютную субстратную специфичность;
2. групповую субстратную специфичность;
3. стереоспецифичность.
Абсолютная субстратная специфичность . Активный центр ферментов, обладающих абсолютной субстратной специфичностью, комплементарен только одному субстрату. Следует отметить, что таких ферментов в живых организмах мало.
Групповая субстратная специфичность Большинство ферментов катализирует однотипные реакции с небольшим количеством (группой) структурно похожих субстратов.
Стереоспецифичность При наличии у субстрата нескольких стерео-изомеров фермент проявляет абсолютную специфичность к одному из них.
Каталитическая специфичность Фермент катализирует превращение присоединённого субстрата по одному из возможных путей его превращения, Это свойство обеспечивается строением каталитического участка активного центра фермента и называется каталитической специфичностью, или специфичностью пути превращения субстрата.
Скорость ферментативной реакции зависит от ряда факторов, таких как количество и активность ферментов, концентрация субстрата, температура среды, рН раствора, присутствие регуляторных молекул (активаторов и ингибиторов).
Зависимость скорости ферментативной реакции от количества ферментов
. При проведении ферментативной реакции в условиях избытка субстрата скорость реакции будет зависеть от концентрации фермента. Графическая зависимость такой реакции имеет вид прямой линии Однако количество фермента часто невозможно определить в абсолютных величинах, поэтому на практике пользуются условными величинами, характеризующими активность фермента: одна международная единица активности
(ME) соответствует такому количеству фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 мин при оптимальных условиях проведения ферментативной реакции. Оптимальные условия индивидуальны для каждого фермента и зависят от температуры среды, рН раствора, при отсутствии активаторов и ингибиторов. 
.
В 1973 г. была принята новая
По удельной активности судят об очистке фермента: чем меньше посторонних белков, тем выше удельная активность.
Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры среды . Повышение температуры до определённых пределов оказывает влияние на скорость ферментативной реакции, подобно влиянию температуры на любую химическую реакцию. С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ. Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции. Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации белковой молекулы.
Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности. Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента. При изменении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации функциональных групп молекулы белка. Например, при закислении среды происходит протонирование свободных аминогрупп (NH 3 +), а при защелачивании происходит отщепление протона от карбоксильных групп (СОО -). Это приводит к изменению конформации молекулы фермента и конформации активного центра; следовательно, нарушается присоединение субстрата, кофакторов и коферментов к активному центру. Кроме того, рН среды может влиять на степень ионизации или пространственную организацию субстрата, что также влияет на сродство субстрата к активному центру. При значительном отклонении от оптимального значения рН может происходить денатурация белковой молекулы с полной потерей ферментативной активности. Оптимум значения рН у разных ферментов различный. Ферменты, работающие в кислых условиях среды (например, пепсин в желудке или лизосомальные ферменты), эволюционно приобретают конформацию, обеспечивающую работу фермента при кислых значениях рН. Однако большая часть ферментов организма человека имеет оптимум рН, близкий к нейтральному, совпадающий с физиологическим значением рН.
Зависимость скорости ферментативной реакции от количества субстрата . Если концентрацию ферментов оставить постоянной, изменяя только количество субстрата, то график скорости ферментативной реакции описывают гиперболой. При увеличении количества субстрата начальная скорость возрастает. Когда фермент становится полностью насыщенным субстратом, т.е. происходит максимально возможное при данной концентрации фермента формирование фермент-субстратного комплекса, наблюдают наибольшую скорость образования продукта. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению образования продукта, т.е. скорость реакции не возрастает. Данное состояние соответствует максимальной скорости реакции Vmax. Таким образом, концентрация фермента - лимитирующий фактор в образовании продукта. Ферментативный процесс можно выразить следующим уравнением:
где k1 - константа скорости образования фермент-субстратного комплекса; k-1 - константа скорости обратной реакции, распада фермент-субстратного комплекса; k2 - константа скорости образования продукта реакции.
.Классификация и номенклатура ферментов. Изоферменты. Единицы измерения активности и количества ферментов.
Каждый фермент имеет 2 названия. Первое - короткое, так называемое рабочее, удобное для повседневного использования. Второе (более полное) - систематическое, применяемое для однозначной идентификации фермента.
Рабочее название. В названии большинства ферментов содержится суффикс "аза", присоединённый к названию субстрата реакции, например уреаза, сахараза, липаза, нуклеаза или к названию химического превращения определённого субстрата, например лактатдегидрогеназа, аденилатциклаза, фосфо-глюкомутаза, пируваткарбоксилаза. Согласно российской классификации ферментов (КФ), названия ферментов пишутся слитно. Однако в употреблении сохранился ряд тривиальных, исторически закреплённых названий ферментов, которые не дают представления ни о субстрате, ни о типе химического превращения, например трипсин, пепсин, ренин, тромбин.
Классы ферментов . Международный союз биохимии и молекулярной биологии в 1961 г. разработал систематическую номенклатуру, согласно которой все ферменты разбиты на 6 основных классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции. Каждый класс состоит из многочисленных подклассов и подподклассов с учётом преобразуемой химической группы субстрата, донора и акцептора преобразуемых группировок, наличия дополнительных молекул и т.д. Каждый из 6 классов имеет свой порядковый номер, строго закреплённый за ним.
1. Оксидоредуктазы. Катализируют различные окислительно-восстановительные реакции с участием 2 субстратов (перенос е - или атомов водорода с одного субстрата на другой).
2. Трансферазы. Катализируют перенос функциональных групп от одного соединения к другому. Подразделяют в зависимости от переносимой группы.
3. Гидролазы. Катализируют реакции гидролиза (расщепления ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Подразделяют в зависимости от расщепляемой связи.
4. Лиазы. К лиазам относят ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путём определённую группу (при этом могут отщепляться СО 2 , Н 2 О, NH 2 ,SН 2 и др.) или присоединяющие чаще всего молекулу воды по двойной связи.
5. Изомеразы. Катализируют различные внутримолекулярные превращения. Подразделяют в зависимости от типа реакции изомеризации.
6. Лигазы (синтетазы). Катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул с образованием ковалент-ной связи. Этот процесс сопряжён с разрывом фосфоэфирной связи в молекуле АТФ (или других нуклеозидтрифосфатов) или с разрывом макроэргических связей других соединений. В первом случае (при использовании энергии гидролиза АТФ) такие ферменты называют лигазами, или синтетазами
Изоферменты , или изоэнзимы - это различные по аминокислотной последовательности изоформы или изотипы одного и того же фермента, существующие в одноморганизме, но, как правило, в разных его клетках, тканях или органах. Изоферменты, как правило, высоко гомологичны по аминокислотной последовательности и/или подобны по пространственной конфигурации. Особенно консервативны в сохранении строения активные центры молекул изоферментов. Все изоферменты одного и того же фермента выполняют одну и ту же каталитическую функцию, но могут значительно различаться по степени каталитической активности, по особенностям регуляции или другим свойствам.
Одна международная единица активности (ME) соответствует такому количеству фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 мин при оптимальных условиях проведения ферментативной реакции. Оптимальные условия индивидуальны для каждого фермента и зависят от температуры среды, рН раствора, при отсутствии активаторов и ингибиторов
. .
Количество единиц активности nME определяют по формуле:
В 1973 г. была принята новая единица активности ферментов: 1 катал (кат), соответствующий такому количеству катализатора, которое превращает 1 моль субстрата за 1 с.
Международная единица ферментативной активности ME связана с каталом следующими равенствами:
1 кат = 1 моль S/c = 60 моль S/мин = 60х106 мкмоль/мин = 6х107 ME,
1 ME = 1 мкмоль/мин = 1/60 мкмоль/с = 1/60 мккат = 16,67 нкат.
В медицинской и фармацевтической практике для оценки активности ферментов часто используют международные единицы активности - ME. Для оценки количества молекул фермента среди других белков данной ткани определяют удельную активность (уд. ак.) фермента, численно равную количеству единиц активности фермента (nМЕ) в образце ткани, делённому на массу (мг) белка в этой ткани.
Белковыми веществами называются высокомолекулярные органические соединения, молекулы которых состоят из остатков 20 различных α-аминокислот. Белки играют огромную роль в деятельности живых организмов, в том числе и человека. Наиболее важными функциями белков являются:
- структурная функция (соединительные ткани, мышцы, волосы и т.д.); каталитическая функция (белки входят в состав ферментов);
- транспортная функция (перенос кислорода гемоглобином крови); защитная функция (антитела, фибриноген крови),
- сократительная функция (миозин мышечной ткани); гормональная (гормоны человека);
- резервная (ферритин селезенки). Резервная или питательная функция белков заключается в том, что белки используются организмом человека для синтеза белков и биологически активных соединений на основе белка, которые регулируют процессы обмена в организме человека.
Белки состоят из остатков α - аминокислот соединенных пептидной связью (- СО – NН -), которая образуется за счет карбоксильной группы первой аминокислоты и α - аминогруппы второй аминокислоты.
Существует несколько видов классификации белков.
Классификация по строению пептидной цепочки : различают спиралевидную форму в виде α - спирали и складчатую структуру в виде β - спирали.
Классификация по ориентации белковой молекулы в пространстве :
1.Первичная структура представляет собой соединение аминокислот в простейшую линейную цепь за счет только пептидных связей.
2.Вторичная структура представляет собой пространственное расположение полипептидой цепи в виде ά - спирали или β - складчатой структуры. Структура удерживается за счет возникновения водородных связей между соседними пептидными связями.
3.Третичная структура представляет собой специфическое укладывание ά - спирали в виде глобул. Структура удерживается за счет возникновения связей между боковыми радикалами аминокислот.
4.Четвертичная структура представляет собой соединение нескольких глобул, находящихся в состоянии третичной структуры, в одну укрупненную структуру, обладающую новыми свойствами, не характерными для отдельных глобул. Глобулы удерживаются за счет возникновения водородных связей.
Поддержание характерной пространственной третичной структуры белковой молекулы осуществляется за счет взаимодействия боковых радикалов аминокислот между собой с образованием связей: водородных, дисульфидных, электростатических, гидрофобных. Конфигурации перечисленных связей приведены на рисунке 2.1.
Классификация по степени растворимости белка .
- Водорастворимые белки имеют небольшую молекулярную массу, их представляют альбумины яйца.
- Солерастворимые белки растворяются в 10 % растворе хлорида натрия, их представляют глобулины : белок молока казеин, белок крови глобулин.
- Щелочерастворимые белки растворяются в 0,2 % растворе гидроксила натрия, их представляют глютелины : белок клейковины пшеницы.
- Спирторастворимые белки растворяются в 60-80 % спирте, их представляютпроламины : белки злаковых культур.
Классификация по строению белка .
Белки по строению белковой молекулы разделяются на простые или протеины и сложные или протеиды. В состав простых белков входят только аминокислоты, в состав сложных белков входят аминокислоты (апобелок) и вещества небелковой природы (простетическая группа), которая включает: фосфорную кислоту, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д.
Протеиды подразделяются на подгруппы в зависимости от состава небелковой части.
