Простые – содержат в составе только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны, протамины). Подробно эти белки характеризуются ниже.
Сложные – кроме аминокислот имеются небелковые компоненты (нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины). Подробно эти белки характеризуются ниже.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТЫХ БЕЛКОВ
Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин). Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в „чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам, т.к. связи с небелковой группой слабые.
А ЛЬБУМИНЫ
Группа белков плазмы крови с молекулярной массой около 40 кДа, имеют кислые свойства и отрицательный заряд при физиологических рН, т.к. содержат много глутаминовой кислоты. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются в крови переносчиком многих веществ, в первую очередь билирубина и жирных кислот.
Г ЛОБУЛИНЫ
Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабокислые или нейтральные. Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в „осадочных" пробах (тимоловая, Вельтмана). Часто содержат углеводные компоненты.
При обычном электрофорезе разделяются, как минимум, на 4 фракции – α 1 , α 2 , β и γ .
Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочисленны. Часть α -глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови от преждевременного разрушения, например, α 1 -антитрипсин , α 1 -антихимотрипсин, α 2 -макроглобулин . Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносчик ионов железа), церулоплазмин (содержит ионы меди), гаптогло-
бин (переносчик гемоглобина), гемопексин (переносчик тема). γ -Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.
Г ИСТОНЫ
Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1 , другие гистоны Н2а , H2b , НЗ , Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).
Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.
Можно выделить две функции гистонов:
1. Регулируют активность генома, а
именно препятствуют транскрипции.
2. Структурная – стабилизируют
пространственную структуру
ДНК.
Гистоны образуют нуклеосомы
– октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Нуклеосомы соединяются между собой через гистон H1. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить
ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и "суперсуперспираль". Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом.
П РОТАМИНЫ
Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, у ряда организмов (рыбы) они являются заменителями гистонов, есть в спермиях. Отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Протамины присутствуют в клетках, не способных к делению. Их функция как у гистонов – структурная.
К ОЛЛАГЕН
Фибриллярный белок с уникальной структурой. Обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (галактоза-глюкоза) остатки, соединенные с ОН-группами некоторых остатков гидроксилизина. Составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.
Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и состоит из повторяющегося триплета [Гли-А-В], где А и В – любые, кроме глицина, аминокислоты. В основном это аланин, его доля составляет 11%, доля пролина и гидроксипролина – 21%. Таким образом, на другие аминокислоты приходится всего 33%. Структура пролина и гидроксипролина не позволяет образовать α -спиральную структуру, из-за этого образуется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка.
Молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε -аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.
В коже фибриллы образуют нерегулярно сплетенную и очень густую сеть – выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген.
Э ЛАСТИН
По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидроксипролина. Отсутствие пролина обуславливает наличие спиральных эластичных участков.
Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина , который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.
α -Аминогруппы и α -карбоксильные группы десмозина включаются в образование пептидных связей одного или нескольких белков.
Классификация белков по строению.
По структурным признакам все белки делятся на две большие группы: простые белки (протеины) и сложные белки (протеиды);
· Простые беки (протеины). Структура их представлена только полипептидной цепью , т.е. они состоят только из аминокислот и делятся на несколько подгрупп. В подгруппы объединяются белки близкие по молекулярной массе, аминокислотному составу, свойствам и функциям . В чистом виде простые белки встречаются редко. Как правило, они входят в состав сложных белков.
· Сложные белки (протеиды) состоят из белкового компонента , представленного каким-либо простым белком, и небелкового компонента , называемого простетической частью . В зависимости от химической природы простетической части сложные белки делятся на подгруппы.
Белки
Протамины хромопротеины
Гистоны нуклеопротеины
Альбумины фосфопротеины
Глобулины гликопротеины
Проламины протеогликаны
Глютелины липопротеины
Протеиноиды металлопротеины
Характеристика простых белков.
Протамины и гистоны имеют наименьшую молекулярную массу , в их составе преобладают диаминокарбоновые АК: аргинин и лизин (20-30%), поэтому обладают резко выраженными основными свойствами (ИЭТ – 9,5-12,0), имеют положительный заряд . Входят в состав сложных белков нуклеопротеинов. В составе нуклеопротеинов выполняют функции: – структурную (участвуют в формировании третичной структуры ДНК) и регуляторную (способны блокировать передачу генетической информации с ДНК на РНК).
Альбумины – белки небольшой молекулярной массы (15000-70000), кислые (ИЭТ 4,7), так как содержат большое количество глутаминовой и аспарагиновой кислот , имеют отрицательный заряд . Высаливаются насыщенным раствором сульфата аммония . Функции альбуминов: транспортная - переносят свободные жирные кислоты, холестерин, гормоны, лекарственные вещества, желчные пигменты, т.е. являются неспецифическими переносчиками.
За счет высокой гидрофильности альбумины поддерживают онкотическое давление крови,
участвуют в поддержании кислотно-основного состояния (КОС) крови.
Глобулины – белки с большей, чем у альбуминов, молекулярной массой (>100000), слабокислые или нейтральные белки (ИЭТ 6-7,3) , так как содержат меньше, чем альбумины, кислых аминокислот. Осаждаются полунасыщенным (50%) раствором сульфата аммония . Входят в состав сложных белков – гликопротеинов и липопротеинов и в их составе выполняют функции: транспортную, защитную (иммуноглобулины), каталитическую, рецепторную и др..
Проламины и глютелины - растительные белки, содержатся в клейковине семян злаковых растений, нерастворимы в воде, растворах солей, кислотах и щелочах, но в отличие от всех других белков, растворяются в 60-80% растворе этанола. Содержат 20-25% глутаминовой кислоты, 10-15% пролина .
Белки
– биополимеры, мономерами которых служат α-аминокислоты, связанные между собой пептидными связями.
Выделяют аминокислоты гидрофобные
и гидрофильные
, которые, в свою очередь, делятся на кислые, основные и нейтральные. Особенностью a-аминокислот является их способность взаимодействовать друг с другом с образованием пептидов.
Выделяют:
дипептиды (карнозин и ансерин , локализующиеся в митохондриях; будучи АО, предотвращающие их набухание);
олигопептиды, включающие до 10 аминокислотных остатков. Например: трипептид глутатион служит одним из главных восстановителей в АРЗ, которая регулирует интенсивность ПОЛ. Вазопрессин и окситоцин — гормоны задней доли гипофиза, включают 9 аминокислот.
Существуют полипептид ы и в зависимости от проявляемых ими свойств их относят к различного класса соединениям. Медики считают, если парентеральное введение полипептида вызывает отторжение (аллергическую реакцию), то его следует считать белком ; если же подобного явления не наблюдается, то термин остаётся прежним (полипептид ). Гормон аденогипофиза АКТГ , влияющий на секрецию ГКС в коре надпочечников, относят к полипептидам (39 аминокислот), а инсулин , состоящий из 51 мономера и способный спровоцировать иммунный ответ, — протеин.
Уровни организации белковой молекулы.
Любой полимер стремится принять более энергетически выгодную конформацию, которая удерживается за счёт образования добавочных связей, что осуществляется с помощью группировок радикалов аминокислот. Принято выделять четыре уровня структурной организации протеинов. Первичная структура – последовательность аминокислот в полипептидной цепи, ковалентно связанных пептидными (амидными ) связями, а соседние радикалы находятся под углом 180 0 (транс-форма). Наличие более 2-х десятков различных протеиногенных аминокислот и способность их связываться в разной последовательности и обусловливает многообразие белков в природе и выполнение ими самых различных функций. Первичная структура протеинов отдельного человека генетически заложена и передаётся от родителей с помощью полинуклеотидов ДНК и РНК. В зависимости от природы радикалов и с помощью специальных белков – шаперонов синтезируемая полипептидная цепь укладывается в пространстве – фолдинг белков .
Вторичная структура белка имеет вид спирали либо β-складчатого слоя. Фибриллярные белки (коллаген, эластин) имеют бета-структуру . Чередование спирализованных и аморфных (неупорядоченных) участков позволяет им сближаться и с помощью шаперонов формируют более плотно упакованную молекулу — третичную структуру.
Объединение нескольких полипептидных цепей в пространстве и создание в функциональном отношении макромолекулярного образования формирует четвертичную структуру белка. Такие мицеллы принято называть олиго- или мультимерами , а их компоненты – субъединицами (протомерами ). Белок с четвертичной структурой обладает биологической активностью только при условии, если все субъединицы его связаны между собой.
Таким образом, любой природный протеин характеризуется уникальной организацией, которая и обеспечивает его физико-химические, биологические и физиологические функции.
Физико-химические свойства.
Белки обладают большими размерами и высокой молекулярной массой, которая колеблется от 6000 – 1000000 Дальтон и выше в зависимости от количества аминокислот и числа протомеров. Молекулы их имеют различные формы: фибриллярную – в ней сохраняется вторичная структура; глобулярную – имеющую более высокую организацию; и смешанную. Растворимость белков зависит от размеров и формы молекулы, от природы радикалов аминокислот. Глобулярные белки хорошо растворимы в воде, а фибриллярные или мало- или не растворимы.
Свойства белковых растворов: имеют низкое осмотическое, но высокое онкотическое давление; высокую вязкость; слабую способность к диффузии; часто мутные; опалесцируют (явление Тиндаля ), — всё это используется при выделении, очистке, изучении нативных белков. В основе разделения компонентов биологической смеси лежит их осаждение. Обратимое осаждение называют высаливанием , развивающимся при действии солей щелочных металлов, солей аммония, разбавленных щелочей и кислот. Его используют для получения чистых фракций, сохранивших нативные структуру и свойства.
Степень ионизации белковой молекулы и её стабильность в растворе определяются рН среды. Значение рН раствора, при котором заряд частицы стремится к нулю, называют изоэлектрической точкой . Такие молекулы способны перемещаться в электрическом поле; скорость движения прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна массе глобулы, что лежит в основе электрофореза для разделения белков сыворотки.
Необратимое осаждение — денатурация . Если реагент проникает вглубь мицеллы и разрушает добавочные связи, уложенная компактно нить разворачивается. Сближающиеся молекулы за счёт высвободившихся группировок склеиваются и выпадают в осадок или флотируют и теряют свои биологические свойства. Денатурирующие факторы: физические (температура выше 40 0 , различные виды излучений: рентгеновское, α-, β-, γ, УФЛ); химические (концентрированные кислоты, щёлочи, соли тяжёлых металлов, мочевину, алкалоиды, некоторые лекарства, яды). Денатурация применяется в асептике и антисептике, а также в биохимических исследованиях.
Белки обладают различными свойствами (Табл. 1.1).
Таблица 1.1
Биологические свойства протеинов
| Специфичность | обусловливается уникальным аминокислотным составом каждого белка, что детерминировано генетически и обеспечивает адаптацию организма к изменяющимся условиям внешней среды, но с другой стороны — требует учитывать этот факт при переливании крови, трансплантации органов и тканей. |
| Лигандность | способность радикалов аминокислот образовывать связи с различными по природе веществами (лигандами ): углеводами, липидами, нуклеотидами, минеральными соединениями. Если связь прочная, то этот комплекс, называемый сложным белком , выполняет предназначенные для него функции. |
| Кооперативность | характерна для белков, имеющих четвертичную структуру. Гемоглобин состоит из 4-х протомеров, каждый из которых соединён с гемом, способным связываться с кислородом. Но гем первой субъединицы это делает медленно, а каждый последующий – легче. |
| Полифункциональность | свойство одного белка выполнять самые разные функции. Миозин – сократительный протеин мышц обладает также каталитической активностью, гидролизуя при необходимости АТФ. Вышеназванный гемоглобин тоже способен работать ферментом — каталазой. |
| Комплементарность | Все белки так укладываются в пространстве, что формируются участки, комплементарные другим соединениям, что обеспечивает выполнение различных функций (образование комплексов энзим-субстрат, гормон-рецептор, антиген-антитело. |
Классификация белков
Выделяют простые белки , состоящие только из аминокислот, и сложные , включающие простетическую группу . Простые белки делятся на глобулярные и фибриллярные , а также в зависимости от аминокислотного состава на основные, кислые, нейтральные . Глобулярные основные белки — протамины и гистоны . Имеют низкую молекулярную массу, за счет наличия аргинина и лизина у них резко выражена основность, благодаря «-» заряду, легко взаимодействуют с полианионами нуклеиновых кислот. Гистоны, связываясь с ДНК, помогают компактно укладываться в ядре и регулировать синтез белка. Эта фракция гетерогенна и при взаимодействии друг с другом, образуют нуклеосомы , на которые наматываются нити ДНК.
К кислым глобулярным белкам принадлежат альбумины и глобулины , содержащиеся во внеклеточных жидкостях (плазме крови, ликворе, лимфе, молоке) и отличающиеся по массе и размерам. Альбумины имеют молекулярную массу 40-70 тыс. Д в отличие от глобулинов (свыше 100 тыс.Д). Первые включают глутаминовую кислоту, что создаёт большой «-» заряд и гидратную оболочку, позволяющую иметь высокую стабильность их раствора. Глобулины — менее кислые белки, поэтому легко высаливаются и являются гетерогенными, с помощью электрофореза делятся на фракции. Способны связываться с различными соединениями (гормонами, витаминами, ядами, лекарствами, ионами), обеспечивая их транспорт. С их помощью стабилизируются важные параметры гомеостаза: рН и онкотическое давление. Выделяют также иммуноглобулины (IgA, IgM, IgD, IgE, IgG), которые служат антителами, а также белковые факторы свёртывания крови.
В клинике используют так называемый белковый коэффициент (БК) , представляющий отношение концентрации альбуминов к концентрации глобулинов:
Его величины колеблются в зависимости от патологических процессов.
Фибриллярные белки делят на две группы: растворимые (актин, миозин, фибриноген) и нерастворимые в воде и водно-солевых растворах (белки опорных — коллаген, эластин, ретикулин и покровных — кератин тканей).
В основе классификации сложных белков лежат особенности строения простетической группы. Металлопротеин — ферритин , богатый катионами железа, и локализующийся в клетках системы мононуклеарных фагоцитов (гепатоцитах, спленоцитах, клетках костного мозга), является депо данного металла. Избыток железа приводит к накоплению в тканях – гемосидерина , провоцируя развитие гемосидероза . Металлогликопротеиины — трансферрин и церулоплазмин плазмы крови, служащие транспортными формами ионов железа и меди соответственно, выявлена их антиоксидантная активность. Работа многих ферментов зависит от наличия в молекулах ионов металлов: для ксантиндегидрогеназы — Мо ++ , аргиназы – Mn ++ , а алкогольДГ – Zn ++ .
Фосфопротеины – казеиноген молока, вителлин желтка и овальбумин белка яиц, ихтулин икры рыб. Играют важную роль в развитии зародыша, плода, новорождённого: их аминокислоты необходимы для синтеза собственных белков тканей, а фосфат используется или как звено ФЛ – обязательных структур мембран клеток, или как важнейший компонент макроэргов – источников энергии в генезе различных соединений. За счет фосфорилирования-дефосфорилирования ферменты регулируют свою активность.
В состав нуклеопротеинов входят ДНК и РНК. В качестве апопротеинов выступают гистоны или протамины. Любая хромосома – это комплекс одной молекулы ДНК с многими гистонами. С помощью нуклеосом происходит накручивание нити данного полинуклеотида, что уменьшает его объём.
Гликопротеины включают в свой состав различные углеводы (олигосахариды, ГАГ типа гиалуроновой кислоты, хондроитин-, дерматан-, кератан-, гепарансульфатов). Слизь, богатая гликопротеинами, обладает высокой вязкостью, защищая стенки полых органов от действия раздражителей. Гликопротеины мембран обеспечивают межклеточные контакты, работу рецепторов, в плазмолеммах эритроцитов отвечают за группоспецифичность крови. Антитела (олигосахариды) взаимодействуют с конкретными антигенами. В основе функционирования интерферонов, системы комплемента лежит тот же принцип. Церулоплазмин и трансферрин, транспортирующие в плазме крови ионы меди и железа, являются тоже гликопротеинами. К этому классу белков принадлежат некоторые гормоны аденогипофиза.
Липопротеины в составе простетической группы содержат различные липиды (ТАГ, свободный ХС, его эфиры, ФЛ). Несмотря на присутствие самых различных веществ, принцип строения мицелл ЛП сходен (Рис. 1.1). Внутри данной частицы находится жировая капля, содержащая неполярные липиды: ТАГ и эфиры ХС. Снаружи ядро окружено однослойной мембраной, образованной ФЛ, белком (аполипопротеином) и ХС. Некоторые белки интегральны и не могут быть отделены от липопротеина, а другие способны переноситься от одного комплекса к другому. Полипептидные фрагменты формируют структуру частицы, взаимодействуют с рецепторами на поверхности клеток, определяя, каким тканям он необходим, служат ферментами или их активаторами, модифицирующими ЛП. Методом ультрацентрифугирования выделили следующие типы липопротеинов: ХМ, ЛПОНП, ЛППП, ЛПНП, ЛПВП . Каждый из типов ЛП образуется в разных тканях и обеспечивает транспорт определённых липидов в биологических жидкостях. Молекулы этих протеинов хорошо растворимы в крови, т.к. имеют небольшие размеры и отрицательный заряд на поверхности. Часть ЛП способна легко диффундировать через интиму артерий, питая её. Хиломикроны служат перевозчиками экзогенных липидов, продвигаясь сначала по лимфе, а затем по кровотоку. По мере продвижения ХМ теряют свои липиды, отдавая их клеткам. ЛПОНП служат основными транспортными формами синтезированных в печени липидов, в основном ТАГ, а доставка эндогенного ХС из гепатоцитов к органам и тканям осуществляется ЛПНП . По мере того, как они отдают липиды клеткам–мишеням, плотность их увеличивается (преобразуются в ЛППП ). Катаболическая фаза обмена ХС осуществляется ЛПВП , которые переносят его из тканей в печень, откуда он в составе желчи выводится через ЖКТ из организма.
У хромопротеинов простетической группой может быть вещество, имеющее окраску. Подкласс — гемопротеиды , небелковой частью служит гем . Гемоглобин эритроцитов обеспечивает газообмен, имеет четвертичную структуру, состоит из 4-х разных у эмбриона, плода, ребёнка полипептидных цепей (Раздел IV. Глава 1). В отличие от Hb миоглобин имеет один гем и одну полипептидную цепь, свёрную в глобулу. Сродство миоглобина к кислороду выше, чем у гемоглобина, поэтому он способен принимать газ, депонировать и отдавать митохондриям по мере необходимости. К гемсодержащим белкам относятся каталаза, пероксидаза , являющиеся ферментами АРЗ; цитохромы – компоненты ЭТЦ, отвечающей за основной биоэнергетический процесс в клетках. Среди дегидрогеназ, участников тканевого дыхания, находят флавопротеины – хромопротеины, имеющие жёлтую (flavos — жёлтый) окраску за счёт наличия в них флавоноидов – компонентов ФМН и ФАД. Родопсин – сложный белок, простетической группой которого служит активная форма витамина А – ретинол жёлто-оранжевого цвета. Зрительный пурпур – основное светочувствительное вещество палочек сетчатки глаза, обеспечивает восприятие света в сумерках.
Функции белков
| Структурная
(пластическая) |
Протеины составляют основу клеточных и органоидных мембран, а также составляют основу ткани (коллаген в соединительной ткани). |
| Каталитическая | Все ферменты – белки — биокатализаторы. |
| Регуляторная | Многие гормоны, секретируемые передней долей гипофиза, паращитовидными железами имеют белковую природу. |
| Транспортная | В плазме крови альбумины обеспечивают перенос ВЖК, билирубина. Трансферрин отвечает за доставку катионов железа. |
| Дыхательная | Мицеллы гемоглобина , локализующиеся в эритроцитах, способны связываться с различными газами, в первую очередь, с кислородом, углекислотой, участвуя непосредственно в газообмене. |
| Сократительная | Специфические белки миоцитов (актин и миозин ) — участники сокращения и расслабления. Подобный эффект в момент расхождения хромосом при митозе проявляет протеин цитоскелета тубулин . |
| Защитная | Белковые факторы свёртывания крови защищают организм от неадекватных кровопотерь. Иммунные белки (γ-глобулины, интерферон, протеины системы комплемента) борются с поступающими в организм чужеродными веществами – антигенами . |
| Гомеостатическая | Вне- и внутриклеточные белки могут удерживать на постоянном уровне рН (буферные системы ) и онкотическое давление среды. |
| Рецепторная | Гликопротеины клеточных и органоидных мембран, локализуясь на наружных участках, воспринимают различные сигналы регуляции. |
| Зрительная | Зрительные сигналы в сетчатке принимает белок – родопсин . |
| Питательная | Альбумины и глобулины плазмы крови служат резервами аминокислот |
| Белки хромосом (гистоны, протамины ) участвуют в создании баланса экспрессии и репрессии генетической информации. | |
| Энергетическая | При голодании или патологических процессах, когда нарушается использование углеводов с энергетической целью (при сахарном диабете) усиливается тканевой протеолиз, продукты которого аминокислоты (кетогенные ), распадаясь, служат источниками энергии. |
Белок — это макромолекула, которыми изобилуют клетки. Каждый из них выполняет определенную функцию, но не все они одинаковы, поэтому имеют определенную классификацию, которая определяет различные типы белков. Эта классификация является полезной для рассмотрения.
Определение белков: Что такое белок?
Белок, от греческого «πρωτεῖος», являются биомолекулами, образованными линейными цепочками аминокислот.
Благодаря своим физико-химическим свойствам белки можно классифицировать как простые белки (голопротеиды), образованные только аминокислотами или их производными; конъюгированные белки (гетеропротеиды), образованные аминокислотами, сопровождающимися различными веществами, и производными белками, веществами, образованными денатурацией и расщеплением предыдущих.
Белки необходимы для жизни, особенно из-за их пластической функции (они составляют 80% обезвоженной протоплазмы каждой клетки), но также из-за их биорегуляторных функций (они являются частью ферментов) и защиты (антитела являются белками).
Белки играют жизненно важную роль для жизни и являются самыми универсальными и разнообразными биомолекулами. Они необходимы для роста организма и выполняют огромное количество различных функций, среди которых:
- Строительство тканей. Это самая важная функция белка (например: коллаген)
- Контрабильность (актин и миозин)
- Ферментативный (например: сукраза и пепсин)
- Гомеостатик: сотрудничает в поддержании рН (поскольку они действуют как химический буфер)
- Иммунологические (антитела)
- Рубцевание ран (например, фибрин)
- Защитные (например, тромбин и фибриноген)
- Трансдукция сигнала (например, родопсин).
Белки образованы аминокислотами. Белки всех живых существ определяются главным образом их генетикой (за исключением некоторых антимикробных пептидов не рибосомального синтеза), то есть генетическая информация в значительной степени определяет, какие белки представляют клетка, ткань и организм.
Белки синтезируются в зависимости от того, как регулируются гены, которые их кодируют. Поэтому они восприимчивы к сигналам или внешним факторам. Набор белков, выраженный в данном случае, называется протеомом.
Пять основных свойств, которые позволяют существование и обеспечить функцию белков:
- PH-буфер (известный как буферный эффект): они действуют как буферы рН из-за их амфотерного характера, то есть они могут вести себя как кислоты (донорские электроны) или как основания (прием электронов).
- Электролитическая способность: определяется методом электрофореза, аналитическим методом, в котором, если белки переносятся на положительный полюс, это происходит потому, что их молекула имеет отрицательный заряд и наоборот.
- Специфичность: каждый белок имеет определенную функцию, которая определяется его первичной структурой.
- Стабильность: белок должен быть стабильным в среде, где он выполняет свою функцию. Для этого большинство водных белков создают упакованное гидрофобное ядро. Это связано с периодом полураспада и оборотом белка.
- Растворимость: необходимо сольватировать белок, который достигается путем воздействия на поверхность белка остатков с одинаковой степенью полярности. Он поддерживается до тех пор, пока присутствуют сильные и слабые связи. Если температура и рН увеличиваются, растворимость теряется.
Денатурация белков
Если изменения в рН, изменения концентрации, молекулярное возбуждение или внезапные изменения температуры происходят в белковом растворе, растворимость белков может быть уменьшена до точки осаждения. Это связано с тем, что связи, которые поддерживают глобулярную конформацию, разрушаются, а белок принимает нитевидную конформацию. Таким образом, слой молекул воды не полностью покрывает молекулы белка, которые имеют тенденцию связываться друг с другом, приводя к образованию крупных частиц, которые выпадают в осадок.
Кроме того, его биокаталитические свойства исчезают при изменении активного центра. Белки, находящиеся в этом состоянии, не могут выполнять деятельность, для которой они были разработаны, короче говоря, они не функционируют.
Этот вариант конформации называется денатурацией. Денатурация не влияет на пептидные связи: при возвращении в нормальные состояния может произойти, что белок восстанавливает примитивную конформацию, которая называется ренатурацией.
Примерами денатурации являются вырезание молока в результате денатурации казеина, осаждение яичного белка, когда овальбумин денатурируется действием тепла или фиксацией расчесанных волос в результате воздействия тепла на кератины волос.
Классификация белков
Согласно форме
Волокнистые белки: они имеют длинные полипептидные цепи и атипичную вторичную структуру. Они нерастворимы в воде и в водных растворах. Некоторыми примерами этого являются кератин, коллаген и фибрин.
Шаровидные белки: характеризуются складыванием своих цепей в плотную или компактную сферическую форму, оставляя гидрофобные группы в белковой и гидрофильной группах наружу, что делает их растворимыми в полярных растворителях, таких как вода. Большинство ферментов, антител, некоторых гормонов и транспортных белков являются примерами глобулярных белков.
Смешанные белки: они имеют фибриллярную часть (обычно в центре белка) и другую шаровидную часть (в конце).
Согласно химическому составу
Простые белки или голопротеиды: при их гидролизе производятся только аминокислоты. Примерами таких веществ являются инсулин и коллаген (шаровидные и волокнистые), альбумины.
Конъюгированные или гетеропротеины: эти белки содержат полипептидные цепи и протезную группу. Неаминокислотная часть называется протезной группой, это могут быть нуклеиновая кислота, липид, сахар или неорганический ион. Примерами этого являются миоглобин и цитохром. Конъюгированные белки или гетеропротеины классифицируются по характеру их протезной группы:
- Нуклеопротеиды: нуклеиновые кислоты.
- Липопротеины: фосфолипиды, холестерин и триглицериды.
- Металлопротеины: группа состоит из металлов.
- Хромопротеины: это белки, конъюгированные с хромофорной группой (окрашенное вещество, содержащее металл).
- Гликопротеины: группа состоит из углеводов.
- Фосфопротеины: белки, конъюгированные с радикалом, содержащим фосфат, отличным от нуклеиновой кислоты или фосфолипида.
Источники белка растительного происхождения, такие как бобовые, имеют более низкое качество чем белки животного происхождения, потому что они представляют менее важные аминокислоты, что компенсируется подходящей смесью обоих.
Взрослый должен употреблять белка в соответствии с образом жизни, то есть, чем больше физической активности, тем потребуется больше источников белка чем сидячих.
В пожилом возрасте, все еще выглядящим противоречиво, нет необходимости в более низком потреблении белка, но рекомендуется увеличить их количество, потому что на этом этапе очень важно регенерировать ткани. Кроме того, мы должны учитывать возможное появление хронических заболеваний, которые могут деградировать белки.
Здесь мы расскажем вам, какие продукты являются лучшими источниками белка:
Продукты с животными белками
- Яйца: это хороший источник белка, потому что он содержит альбумин превосходного качества, так как он содержит большое количество незаменимых аминокислот.
- Рыба (лосось, сельдь, тунец, треска, форель …).
- Молоко.
- Молочные продукты, сыр или йогурт.
- Красное мясо, индейка, вырезка и курица.
Эти продукты содержат белки с большим количеством незаменимых аминокислот (те, которые не могут быть синтезированы организмом, поэтому они должны поступать вместе с пищей).
Продукты с белками растительного происхождения
- Бобовые (чечевица, фасоль, нут, горох …) должны быть дополнены другими продуктами, такими как картофель или рис.
- Зеленые листовые овощи (капуста, шпинат …).
- Орехи, такие как фисташки или миндаль (при условии, что они не жареные и не соленые).
- Сейтан, киноа, соевые бобы, морские водоросли.
Переваривание белков обычно инициируется в желудке, когда пепсиноген превращается в пепсин под действием соляной кислоты и продолжается действием трипсина и химотрипсина в кишечнике.
Диетические белки деградируют до все более мелких пептидов, и до аминокислот и их производных, которые абсорбируются желудочно-кишечным эпителием. Скорость поглощения отдельных аминокислот сильно зависит от источника белка. Например, переваримость многих аминокислот у людей различается между соевым белком и молочным белком и между отдельными молочными белками, такими как бета-лактоглобулин и казеин.
Для молочных белков приблизительно 50% потребляемого белка переваривается в желудке или тонкой кишке, а 90% уже переваривается, когда проглоченная пища достигает подвздошной кишки.
Помимо своей роли в синтезе белка, аминокислоты также являются важным источником питания азота. Белки, как и углеводы, содержат четыре килокалории на грамм, тогда как липиды содержат девять ккал. Спирты — семь ккал. Аминокислоты могут быть превращены в глюкозу посредством процесса, называемого глюконеогенезом.
| Класс белков | Примеры | Локализация, функция |
| Структурные белки | Коллаген | Компонент соединительной ткани, костей, сухожилий, хряща. |
| Склеротин | Наружный скелет насекомых | |
| α - Кератин | Кожа, перья, ногти, волосы, рога. | |
| Эластин | Эластичная соединительная ткань (связки) | |
| Мукопротеины | Синовиальная жидкость, слизистые секреты | |
| Белки оболочки вирусов | «Обёртка» нуклеиновой кислоты вируса. | |
| Ферменты | Трипсин | Катализирует гидролиз белков |
| Рибулозобисфосфаткарбоксилаза | Катализирует карбоксилирование (присоединение СО 2) рибулозобисфосфата при фотосинтезе | |
| Глутаминсинтетаза | Катализирует образование аминокислоты глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака | |
| Гормоны | Инсулин Глюкагон АКТГ | Регулируют обмен глюкозы Стимулируют рост и активность коры надпочечников |
| Транспортные белки | Гемоглобин | Переносит О 2 в крови позвоночных |
| Гемоцианин | Переносит О 2 в крови некоторых беспозвоночных | |
| Миоглобин | Переносит О 2 в мышцах | |
| Сывороточный альбумин | Служит для транспорта жирных кислот, липидов и т.п. | |
| Защитные белки | Антитела | Образует комплексы с инородными белками |
| Фибриноген | Предшественник фибрина при свёртываемости крови | |
| Тромбин | Участвует в процессе свёртывания крови | |
| Сократительные белки | Миозин | Подвижные нити миофибрилл саркрмера |
| Актин | Неподвижные нити миофибрилл саркрмера | |
| Запасные белки | Яичный альбумин | Белок яйца |
| Казеин | Белок молока | |
| Токсины | Змеиный яд | Ферменты |
| Дифтерийный токсин | Токсин, вырабатываемый дифтерийной палочкой |
Классификация белков по структуре
- Фибриллярные – наиболее важна вторичная структура (третичная почти или совсем не выражена), нерастворимы в воде, отличаются большой механической прочностью. Длинные параллельные полипептидные цепи, скрепленные друг с другом поперечными сшивками, образуют длинные волокна или слоистые структуры. Выполняют в клетках и в организме структурные функции, например, входят в состав соединительной ткани. К этой группе относится коллаген (сухожилия, межклеточное вещество костной ткани), миозин (саркомеры мышц), фиброин (шёлк, паутина), кератин (волосы, рога, ногти, перья).
- Глобулярные – наиболее важна третичная структура. Полипептидные цепи свёрнуты в компактные глобулы. Растворимы. Легко образуют коллоидные суспензии. Выполняют функцию ферментов, антител (глобулины сыворотки крови определяют иммунологическую активность) и в некоторых случаях гормонов (например, инсулин). Играют важную роль в протоплазме, удерживая в ней воду и некоторые другие вещества, способствуют поддержанию молекулярной организации.
- Промежуточные – фибриллярной природы, но растворимые. Примером может служить фибриноген, превращающийся в нерастворимый фибрин при свёртывании крови.
Функции белков:
1. Ферментативная
2.Белки-гормоны
3.Регуляторная
4. Защитная
5. Транспортная
6. Структурные белки
7. Сократительные белки
8. Рецепторные белки
9. Белки-токсины
10. Белки - ингибиторы ферментов
11. Белки внутренних оболочек.
Нуклеиновые кислоты
-нерегулярные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Впервые нуклеиновые кислоты были выделены в 1869 году шведцарским биохимиком Фридрихом Мишером из клеток гноя. Известно 2 типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота и рибонуклеиновая кислота или ДНК и РНК. Нуклеотиды, являющиеся мономерами нуклеиновых кислот имеют не простое строение.
В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания, пятиуглеродный сахар и остаток фосфорной кислоты.
В составе нуклеиновых кислот может быть 2 типа пентоз: в составе ДНК - дезоксирибоза, в составе РНК - рибоза. Нуклеиновые кислоты получили название по названию входящей в них пентозы.
Азотистые основания в составе нуклеиновых кислот называются аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил, они представлены на рисунке ниже.
Нуклеотиды – это мономеры нуклеиновых кислот. Кроме названных нуклеотидов в нуклеиновых кислотах в небольших количествах встречаются ещё более 20-ти "минорных" нуклеотидов - их азотистые основания являются производными 5-ти основных.
Образование нуклеотидов происходит в 2 этапа. 1) Пентоза, соединяясь с азотистым основанием в ходе реакции конденсации образует нуклеозид.
2) К нуклеозиду входе ещё одной реакции конденсации присоединяется остаток фосфорной кислоты с образованием фосфорно-эфирной связи.
3) Друг с другом нуклеотиды соединяются брагодаря реакции конденсации, при этом образуется фосфорнодиэфирная связь между 3" гидрооксилом одного гидрооксидного остатка и 5" гидрооксилом другого. Образовавшаяся при этом связь называется фосфорнодиэфирная. Фосфорнодиэфирные связи в полинуклеотидной цепи ковалентные, прочные, стабильные.
Сахара вместе с азотистым основанием называются нуклеозидами (аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин). Если к ним присоединены 1-, 2-, или 3-фосфорных остатка, то вся эта структура называется соответственно, нуклеотизид монофосфатом, дифосфатом или трифосфатом или нуклеотидом (аденин, гуанин, тимин, цитозин).
Вот так модель АТФ выглядит в пространстве.
Полинуклеотидная цепь имеет 2 конца: 3" конец, где 3" - ни с чем не связан (гидрооксил пентозы); 5" - гидрооксил пентозы связан только с фосфатом. Принято 5" концевой нуклеотид считать началом цепи, а 3" - её концом. В организме распад полипептидных цепей проипсходит под действием ферментов нуклеаз .
Азотистое основание, входящее в состав ДНК делится на две группы – пиримидиновую и пуриновую. В состав ДНК входит аденин, тимин, цитозин и гуанин, в РНК вместо тимина урацил. Как известно, ДНК – это большой архив, в котором хранится информация, а РНК – это молекула, которая переносит информацию из ядра в цитоплазму для синтеза белков. С различием в функциях связаны различия в строении. РНК более химически активно из-за того, что ее сахар - рибоза – имеет в своем составе гидроксильную группу, а в дезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертно, что важно для ее функции хранения информации, чтобы она не вступала ни в какие реакции.
В начале 50-х годов американский биохимик Эдвин Чаргафф изучал нуклеотидный состав ДНК, результаты своих экспериментов он обобщил в виде правил (правила Чаргаффа)
Установлено, что диаметрн молекулы ДНК равен 2 нанометра, на 1 полный виток спирали приходится в каждой цепи 10 нуклеотидов, межнуклеотидное расстояние вдоль оси спирали составляет 0,34 нанометра.
Полная расшифровка структуры ДНК была произведена в 1953 году американским биохимиком Джеймсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком. Работая вместе в Кембридском университете они использовали все известные на тот момент данные:
Модель ДНК по Уотсону и Крику:
Долгое время считалось, что существует только такая форма ДНК, которая была описана Уотсоном и Криком, но в настоящее время известно, что ДНК может образовывать более 10 различных форм, способных к взаимопереходу и которые отличаются друг от друга по целому ряду параметров. Например: по числу пар нуклеотидных остатков в витке (шаг спирали). Например:
А - форма - шаг спирали 10 пар оснований;
В - форма - шаг спирали 10 пар оснований.
С - форма - 9,3 пар оснований
Z - форма - 12 пар оснований.
Все формы, кроме Z - правозакрученные; Z - форма левозакрученная. Количественно в клетках значительно преобладает В - форма.
Молекулы ДНК - эукариот и многих вирусов существуют в линейных формах, ДНК - бактериальных клеток, хлоропластов, митохондрий, некоторых вирусов имеет кольцевую форму. ДНК некоторых вирусов - одноцепочечная.
ДНК эукариот связана с белками и образует основное вещество ядра - хромитин.
Свойства ДНК
Вещество белого цвета, волокнистого строения, плохо растворимое в воде, растворяется в крепких солевых растворах. Растворы ДНК высоко вязкие, обладают двойным лучепреломлением. Молекулы оптически и электрически активны. Прочно связывают многовалентные ионы металлов, вступают в реакцию алкинирования и дезаминирования азотистых оснований.
