Строение белковой молекулы. Простые и сложные белки

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

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

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

Химический состав и структура белков

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физико-химические свойства

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

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

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

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

Методы обнаружения и определения белков

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

Классификация белков

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 2. РНК-АМИНОКИСЛОТНЫЙ КОД

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

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

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

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

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

Белки в питании

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 5. СТАНДАРТНЫЕ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ШКАЛЫ

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

Таблица 6. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АМИНОКИСЛОТНОГО СКОРА И УТИЛИЗАЦИИ БЕЛКА

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

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

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

Радиоактивные белки

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

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

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

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

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

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

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

Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Аминокислоты представляют собой низкомолекулярные органические соединения, содержащие карбоксильную (-COOH) и аминную (-NH 2) группы, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. К атому углерода присоединяется боковая цепь - какой-либо радикал, придающий каждой аминокислоте определенные свойства.

У большей части аминокислот имеется одна карбоксильная группа и одна аминогруппа; эти аминокислоты называются нейтральными . Существуют, однако, и основные аминокислоты - с более чем одной аминогруппой, а также кислые аминокислоты - с более чем одной карбоксильной группой.

Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, однако только 20 из них входят в состав белков. Это так называемые основные или протеиногенные аминокислоты.

В зависимости от радикала основные аминокислоты делят на 3 группы:

1. Неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);
2. Полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);
3. Заряженные (аргинин, гистидин, лизин - положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислота - отрицательно).

Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными и гидрофильными и придают белкам соответствующие свойства.

У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд протеиногенных аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми . К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин; аргинин и гистидин - незаменимые для детей.

В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа (-COOH) способна отдавать протон, функционируя как кислота, а аминная (-NH 2) принимать протон, проявляя таким образом свойства основания.

Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты. Образующаяся при этом молекула представляет собой дипептид , а связь между атомами углерода и азота называется пептидной связью.

На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом - свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себя другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется много аминокислот (более 10), то образуется полипептид .

Пептиды играют важную роль в организме. Многие алигопептиды являются гормонами. Таковы окситоцин, вазопрессин, тиролиберин, тиреотропин и др. К олигопептидам относится также брадикидин (пептид боли) и некоторые опиаты («естественные наркотики» человека), выполняющие функцию обезболивания. Принятие наркотиков разрушает опиатную систему организма, поэтому наркоман без дозы наркотиков испытывает 1 сильную боль - «ломку», которая в норме снимается опиатами.

К олигопептидам относятся некоторые антибиотики (например, грамицидин S).

Многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон и др.), антибиотики (например, грамицидин А), токсины (например, дифтерийный токсин) являются полипептидами.

Белки представляют собой полипептиды с молекулярной массой свыше 10 000, в молекулу которых входит от 50 до нескольких тысяч аминокислот.

Каждому белку свойственна в определенной среде своя особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков.

Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептид ной цепи. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т.е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной единственной аминокислоты в составе молекул белка или изменение их расположения обычно влечет за собой изменение функции белка. Так как в состав белков входит 20 видов аминокислот, число вариантов их комбинаций в пол и пептидной цепи поистине безгранично, что обеспечивает огромное количество видов белков в живых клетках.

В живых клетках молекулы белков или отдельные их участки представляют собой не вытянутую цепь, а скручены в спираль, напоминающую растянутую пружину (это так называемая α-спираль) или сложены в складчатый слой (β-слой). Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей между -СО- и -NН 2 -группами двух пептидных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация) или между двумя полипептидными цепями (складчатые слои).

Полностью α-спиральную конфигурацию имеет белок кератин. Это структурный белок волос, шерсти, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов. Спиральная вторичная структура характерна, помимо кератина, для таких фибриллярных (нитевидных) белков, как миозин, фибриноген, коллаген.

У большинства белков спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи складываются в трехмерное образование шаровидной формы - глобулу (характерна для глобулярных белков). Глобула определенной конфигурации является третичной структурой белка. Третичная структура стабилизируется ионными, водородными связями, ковалентными дисульфидными связями (которые образуются между атомами серы, входящими в состав цистеина), а также гидрофобными взаимодействиями. Наиболее важными в возникновении третичной структуры являются гидрофобные взаимодействия; белок при этом свертывается таким образом, что его гидрофобные боковые цепи скрыты внутри молекулы, т. е. защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи, наоборот, выставлены наружу.

Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей - возникает четвертичная структура . Такая структура имеется, например, у глобулярного белка гемоглобина. Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных субъединиц (протомеров), находящихся в третичной структуре, и небелковой части - гема. Только в такой структуру гемоглобин способен выполнять свою транспортную функцию.

Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение третичной и четвертичной структуры белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения нативной (естественной) структуры белка называется денатурацией . При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации иногда обратим, т. е. возвращение нормальных условий среды может сопровождаться самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией . Отсюда следует, что все особенности строения и функционирования макромолекулы белка определяются его первичной структурой.

По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простым относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложным - содержащие белковую часть и небелковую (простатическую) - ионы металлов, углеводы, липиды и др. Простыми белками являются сывороточный альбумин крови, иммуноглобулин (антитела), фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложными белками являются все протеолипиды и гликопротеиды, гемоглобин, большинство ферментов и т.д.

Функции белков

Структурная . Белки входят в состав клеточных мембран и органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия, волосы, ногти, когти у высших животных состоят преимущественно из белков.

Каталитическая (ферментативная) . Белки-ферменты катализируют протекание всех химических реакций в организме. Они обеспечивают расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксацию углерода при фотосинтезе, реакции матричного синтеза и т. п.

Транспортная . Белки способны присоединять и переносить различные вещества. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы металлов и гормоны. Гемоглобин переносит кислород и углекислый газ.

Молекулы белков, входящие в состав плазматической мембраны, принимают участие в транспорте веществ в клетку и из нее.

Защитная . Ее выполняют иммуноглобулины (антитела) крови, обеспечивающие иммунную защиту организма. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови и предотвращают кровотечение.

Сократительная . Обеспечивается движением относительно друг друга нитей белков актина и миозина в мышцах и внутри клеток. Скольжение микротрубочек, построенных из белка тубулина, объясняется движение ресничек и жгутиков.

Регуляторная . Многие гормоны являются олигопептидами или белками, например: инсулин, глюкагон, аденокортикотропный гормон и др.

Рецепторная . Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, способны изменить свою структуру на действие внешней среды. Так происходят прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку. Примером может служить фитохром - светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию растений, и опсин - составная часть родопсина , пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.

Защитная

Сократительная

Резервная

Транспортная

Рецепторная

Гормональная

Ферментативная

Структурная

Функции белков

БЕЛКИ.

Определœение Ф.Энгельса "Жизнь есть способ существования белковых тел" до сих пор, по прошествии почти полутора веков, не потеряло своей правильности и актуальности.

В корне структуры любого организма и всœех протекающих в нем жизненных реакций лежат белки. Любые нарушения в этих белках приводят к изменению самочувствия и нашего здоровья. Необходимость изучения строения, свойств и видов белков кроется в многообразии их функций.

Белки формируют вещество соединительной ткани – коллаген , эластин , кератин , протеогликаны . Непосредственно участвуют в построении мембран и цитоскелœета (интегральные, полуинтегральные и поверхностные белки) – спектрин (поверхностный, основной белок цитоскелœета эритроцитов), гликофорин (интегральный, фиксирует спектрин на поверхности), К данной функции можно отнести участие в создании органелл – рибосомы .

Все ферменты являются белками. Но вместе с тем, имеются экспериментальные данные о существовании рибозимов, ᴛ.ᴇ. рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитической активностью.

Регуляцию и согласование обмена веществ в разных клетках организма осуществляют гормоны. Часть из них являются белками, к примеру, инсулин и глюкагон .

Эта функция состоит в избирательном связывании гормонов, биологически активных веществ и медиаторов на поверхности мембран или внутри клеток.

Только белки осуществляют перенос веществ в крови , к примеру, липопротеины (перенос жира), гемоглобин (транспорт кислорода), трансферрин (транспорт желœеза) или через мембраны - Na + ,К + -АТФаза (противоположный трансмембранный перенос ионов натрия и калия), Са 2+ -АТФаза (выкачивание ионов кальция из клетки).

В качестве примера депо белка можно привести производство и накопление в яйце яичного альбумина . У животных и человека таких специализированных депо нет, но при длительном голодании используются белки мышц, лимфоидных органов, эпителиальных тканей и печени .

Существует ряд внутриклеточных белков, предназначенных для изменения формы клетки и движения самой клетки или ее органелл (тубулин , актин , миозин ).

Защитной функцией при инфекциях обладают иммуноглобулины крови, при повреждении тканей - белки свертывающей системы крови. Механическую защиту и поддержку клеток осуществляют протеогликаны.

Белок - ϶ᴛᴏ последовательность аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями.

Легко представить, что количество аминокислот должна быть различно: от минимум двух до любых разумных величин. Биохимики условились считать, что если количество аминокислот не превышает 10, то такое соединœение принято называть пептид ; если от 10 до 40 аминокислот – полипептид , в случае если более 40 аминокислот – белок .

Линœейная молекула белка, образующаяся при соединœении аминокислот в цепь, является первичной структурой . Образно ее можно сравнить с обычной нитью на которую навешено до нескольких сотен бусинок двадцати различных цветов (по числу аминокислот).

Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет дальнейшее поведение молекулы: ее способность изгибаться, сворачиваться, формировать те или иные связи внутри себя. Формы молекулы, создаваемые при свертывании, последовательно могут принимать вторичный, третичный и четвертичный уровень организации.

Схематичное представление последовательности укладки белков в четвертичную структуру

На уровне вторичной структуры белковые "бусы" способны укладываться в виде спирали (подобно дверной пружинœе) и в виде складчатого слоя , когда "бусы" уложены змейкой и удаленные части бус оказываются рядом.

Укладка белка во вторичную структуру плавно переходит к формированию третичной структуры . Это отдельные глобулы, в которых белок уложен компактно, в виде трехмерного клубка.

Некоторые белковые глобулы существуют и выполняют свою функцию не поодиночке, а группами по две, три и более штук. Такие группы образуют четвертичную структуру белка.

Объединœение аминокислот через пептидные связи создает линœейную полипептидную цепь, которая принято называть первичной структурой белка .

Участок белковой цепи длиной в 6 аминокислот (Сер-Цис-Тир-Лей-Глу-Ала) (пептидные связи выделœены желтым цветом, аминокислоты - красной рамкой)

Первичная структура белков, ᴛ.ᴇ. последовательность аминокислот в нем, программируется последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпадение, вставка, замена нуклеотида в ДНК приводит к изменению аминокислотного состава и, следовательно, структуры синтезируемого белка.

В случае если изменение последовательности аминокислот носит не летальный характер, а приспособительный или хотя бы нейтральный, то новый белок может передаться по наследству и остаться в популяции. В результате возникают новые белки с похожими функциями. Такое явление принято называть полиморфизм белков.

К примеру, при серповидноклеточной анемии в шестом положении β-цепи гемоглобина происходит замена глутаминовой кислоты на валин . Это приводит к синтезу гемоглобина S (HbS ) – такого гемоглобина, который в дезоксиформе полимеризуется и образует кристаллы. В результате эритроциты деформируются, приобретают форму серпа (банана), теряют эластичность и при прохождении через капилляры разрушаются. Это в итоге приводит к снижению оксигенации тканей и их некрозу.

Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет формирование вторичной , третичной и четвертичной структур.

Вторичная структура белка - ϶ᴛᴏ способ укладки полипептидной цепи в более компактную структуру, при которой происходит взаимодействие пептидных групп с образованием между ними водородных связей. Формирование вторичной структуры вызвано стремлением пептида принять конформацию с наибольшим количеством связей между пептидными группами. Тип вторичной структуры зависит от устойчивости пептидной связи, подвижности связи между центральным атомом углерода и углеродом пептидной группы, размером аминокислотного радикала.

Все указанное вкупе с аминокислотной последовательностью впоследствии приведет к строго определœенной конфигурации белка.

Можно выделить два возможных варианта вторичной структуры: α-спираль (α-структура) и β-складчатый слой (β-структура). В одном белке, как правило, присутствуют обе структуры, но в разном долевом соотношении. В глобулярных белках преобладает α-спираль, в фибриллярных – β-структура.

Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными группами: атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д.

В молекуле белка аминокислотные остатки соединены так называемой пептидной связью. Полная последовательность аминокислотных остатков в такой цепи называется первичной структурой белка. Число остатков в разных белках может колебаться от нескольких штук до нескольких тысяч. Небольшие молекулы с мол. массой менее 10 тыс. дальтон называют пептидами, а крупные - белками. В составе белка обычно имеются как кислые, так и щелочные аминокислоты, так что белковая молекула имеет и положительные, и отрицательные заряды. Значение рН, при котором количество отрицательных зарядов равно количеству положительных, называется изоэлектрической точкой белка.

Обычно белковая цепочка складывается в более сложные структуры. Кислород группы C=O может образовывать водородную связь с водородом группы N-H, расположенной в другой аминокислоте. За счет таких водородных связей формируется вторичная структура белка. Одна из разновидностей вторичной структуры - б-спираль. В ней каждый кислород С=О-группы связан с водородом 4-й по ходу спирали NH-группы. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спирали составляет 0,54 нм.

Во многих белках имеется т. н. в-структура, или в-слой, в ней полипептидные цепочки почти полностью развернуты, их отдельные участки своими группами -СО- и -NH- образуют водородные связи с другими участками той же цепочки или соседней полипептидной цепи.

б-Спиральную структуру имеет белок кератин, из которого состоят волосы и шерсть. При нагревании влажные волосы и шерсть легко поддаются растяжению, а потом самопроизвольно возвращаются к исходному состоянию: при растяжении водородные связи б-спирали разрываются, а затем постепенно восстанавливаются.

в-Структура характерна для фиброина - основного белка шелка, выделяемого гусеницами шелкопряда. В отличие от шерсти, шелк почти нерастяжим - в-структура образована вытянутыми полипептидными цепями, и дальше растягивать ее практически невозможно без разрыва ковалентных связей.

Укладка белков обычно не ограничивается вторичной структурой. Гидрофобные аминокислотные остатки «стремятся» укрыться от водного окружения внутри белковой молекулы. Между боковыми группами кислых и щелочных аминокислот, заряженных, соответственно, отрицательно и положительно, возможно электростатическое взаимодействие. Многие аминокислотные остатки могут образовывать друг с другом водородные связи. Наконец, остатки аминокислоты цистеина, содержащие SH-группы, способны образовывать между собой ковалентные связи -S-S-.

Благодаря всем этим взаимодействиям - гидрофобным, ионным, водородным и дисульфидным - белковая цепочка образует сложную пространственную конфигурацию, называемую третичной структурой.

В составе глобулы у многих белков можно различить отдельные компактные участки размером около 10-20 тысяч дальтон. Они называются доменами. Участки полипептидной цепи между доменами весьма гибки, так что всю структуру можно представить как относительно жесткие бусины доменов, соединенные гибкими промежуточными участками первичной структуры.

Многие белки (их называют олигомерными) состоят не из одной, а из нескольких полипептидных цепочек. Совокупность их образует четвертичную структуру белка, при этом отдельные цепочки называются субъединицами. Четвертичная структура удерживается теми же связями, что и третичная. Пространственная конфигурация белка (т.е. его третичная и четвертичная структура) называется конформацией.

Рис. 4.

Главным методом, позволяющим устанавливать пространственную структуру белков и других биологических полимеров, является рентгеноструктурный анализ. В последнее время большие успехи достигнуты в компьютерном моделировании белковых конформаций.

Водородные, электростатические и гидрофобные связи, с помощью которых создаются вторичная, третичная и четвертичная структуры белка, менее прочны, чем пептидная связь, образующая первичную структуру. При нагревании они легко разрушаются, и хотя у белка сохраняется в целости первичная структура, он не может выполнять своих биологических функций, становится неактивным. Процесс разрушения природной конформации белка, сопровождающийся потерей активности, называется денатурацией. Денатурацию вызывает не только нагревание, но и химические вещества, нарушающие связи вторичной и третичной структур - например, мочевина, которая в высоких концентрациях разрушает водородные связи в белковой глобуле.

Дисульфидные -S-S-связи образуют прочные «скрепы», сшивающие различные участки одной полипептидной цепи или разные цепи. Эти связи имеются, например, в кератинах, причем разные кератины содержат разное количество таких сшивок: волосы и шерсть - немного, рога, копыта млекопитающих и панцири черепах - значительно больше.

Вторичная, третичная и четвертичная структура белка определяется его первичной структурой. В зависимости от последовательности аминокислот в полипептидной цепочке будут образовываться б-спиральные или в-структурные участки, которые затем самопроизвольно «уложатся» в определенную третичную структуру, а у некоторых белков отдельные цепочки еще и объединятся с образованием четвертичной структуры.

Если изменить первичную структуру белка, то может сильно измениться и вся его конформация. Существует тяжелая наследственная болезнь - серповидно-клеточная анемия, при которой гемоглобин становится малорастворим в воде, а эритроциты приобретают серповидную форму. Причина болезни - замена всего лишь одной аминокислоты из 574, входящих в состав человеческого гемоглобина (глютаминовая кислота, расположенная на 6-м месте с N-конца одной из цепей гемоглобина нормальных людей, у больных заменена на валин).

Процесс самопроизвольной ассоциации белковых субъединиц в сложные комплексы, обладающие четвертичной структурой, называется самосборкой. Большинство белковых комплексов с четвертичной структурой образуются именно путем самосборки.

В 1980-е годы было обнаружено, что не все белки и белковые комплексы образуются путем самосборки. Оказалось, что для образования таких структур как нуклеосомы (комплексы белков-гистонов с ДНК), бактериальные ворсинки - пили, а также некоторых сложных ферментных комплексов используются специальные белки-помощники, названные шаперонами. Шапероны не входят в состав образующейся структуры, а только помогают ее укладке.

Шапероны служат не только для организации сложных комплексов, но в некоторых случаях помогают правильно свернуть одну полипептидную цепочку. Так, при воздействии высокой температуры в клетках резко возрастает количество т. н. белков теплового шока. Они связываются с частично денатурированными клеточными белками и восстанавливают их природную конформацию.

Долгое время считалось, что белок может иметь только одну устойчивую конформацию при данных условиях, но в последнее время этот постулат пришлось пересмотреть. Поводом к такому переосмыслению послужило открытие возбудителей т. н. медленных нейрологических инфекций. Эти инфекции встречаются у разных видов млекопитающих. К ним относится болезнь овец «скрепи», заболевание человека «куру» («смеющаяся смерть») и нашумевшее в последнее время «бешенство коров». Они имеют много общего.

Для них характерны тяжелые поражения центральной нервной системы. Так, люди, больные куру, на ранних стадиях болезни испытывают эмоциональную неустойчивость (большинство - часто и беспричинно смеются, но некоторые находятся в состоянии депрессии или немотивированной агрессивности) и легкие нарушения координации движений. На поздних стадиях больные уже не способны не только двигаться, но даже сидеть без поддержки, а также есть.

Заражение обычно происходит пищевым путем (изредка через кровь). Болезнь у животных развивалась после скармливания им костной муки, которая изготавливалась из костей больных особей. Куру - болезнь папуасских людоедов, передающаяся при поедании мозга умерших родичей (поедание друг друга в этом случае - скорее отрасль богослужения, чем кулинарии, оно имеет важное ритуальное значение).

Все эти заболевания имеют очень длительный инкубационный период и развиваются медленно. В головном мозге заболевших отмечается отложение нерастворимого белкового конгломерата. Нерастворимые белковые нити обнаруживаются в пузырьках, расположенных внутри нейронов, а также во внеклеточном веществе. Наблюдается разрушение нейронов в некоторых отделах мозга, особенно в мозжечке.

Долгое время оставалась загадочной природа возбудителей этих заболеваний, и только в начале 80-х годов было установлено, что эти возбудители - особые белки с молекулярной массой около 30 тысяч дальтон. Такие доселе неизвестные науке объекты получили название прионы.

Было установлено, что прионный белок закодирован в ДНК организма-«хозяина». Белок здорового организма содержит ту же последовательность аминокислот, что и белок инфекционной частицы приона, но никаких патологических симптомов не вызывает. Функция прионного белка пока неизвестна. Мыши, у которых генные инженеры искусственно выключили ген этого белка, развивались вполне нормально, хотя и имели некоторые отклонения в работе центральной нервной системы (худшее обучение, нарушения сна). В здоровом организме этот белок обнаружен на поверхности клеток во многих органах, больше всего в головном мозге.

Оказалось, что в инфекционной частице прионный белок имеет иную конформацию, чем в нормальных клетках. Он содержит бета-структурные участки, обладает высокой устойчивостью к расщеплению пищеварительными ферментами и способностью образовывать нерастворимые агрегаты (видимо, отложение таких агрегатов в мозге и является причиной развития нейропатологии).

Самое интересное, что «нормальная» конформация этого белка превращается в «болезнетворную», если клетка контактирует с «болезнетворным» белком. Получается, что «болезнетворный» белок «лепит» пространственную структуру «нормального» по себе. Он направляет его укладку как матрица, вызывая появление все большего числа молекул в «болезнетворной» конформации и, в конце концов, гибель организма.

Как именно это происходит, до сих пор неизвестно. Если смешать в пробирке нормальную и инфекционную форму прионного белка, то никакого образования новых инфекционных молекул не произойдет. По-видимому, в живой клетке имеются какие-то молекулы-помощники (вероятно, шапероны), позволяющие прионному белку делать свое черное дело.

Отложение нерастворимых белковых конгломератов может служить причиной и других неизлечимых нервных заболеваний. Болезнь Альцгеймера не относится к числу инфекционных - она возникает в пожилом и старческом возрасте у людей с наследственной предрасположенностью. У больных наблюдается ухудшение памяти, ослабление интеллекта, слабоумие, и, в конце концов - полная утрата психических функций. Причина развития болезни - отложение в мозгу т. н. амилоидных бляшек. Они состоят из нерастворимого белка - в-амилоида. Он представляет собой фрагмент белка-предшественника амилоида - нормального белка, присутствующего у всех здоровых людей. У больных он расщепляется с образованием нерастворимого амилоидного пептида.

Мутации в разных генах вызывают развитие болезни Альцгеймера. Естественно, ее вызывают мутации в гене белка-предшественника амилоида - измененный предшественник после расщепления образует нерастворимый в-амилоид, формирующий бляшки и разрушающий клетки головного мозга. Но болезнь возникает и при мутации в генах белков, регулирующих активность протеаз, разрезающих белок - предшественник амилоида. Не совсем понятно, как в этом случае развивается заболевание: возможно, нормальный белок предшественник режется в каком-то неправильном месте, что приводит к выпадению в осадок образующегося пептида.

Очень рано болезнь Альцгеймера развивается у больных с синдромом Дауна - у них содержится не две копии 21-й хромосомы, как у всех людей, а три. Больные синдромом Дауна имеют характерную внешность и слабоумие. Дело в том, что ген белка-предшественника амилоида как раз и находится в 21-й хромосоме, увеличение количества гена приводит к увеличению количества белка, а избыток белка-предшественника приводит к накоплению нерастворимого в-амилоида.

Белки часто соединяются с другими молекулами. Так, гемоглобин, переносящий кислород в кровеносной системе, состоит из белковой части - глобина, и небелковой - гема. Ион Fe2+ входит в состав гема. Глобин состоит из четырех полипептидных цепочек. Благодаря наличию гема с железом гемоглобин катализирует окисление перекисью водорода различных органических веществ - например, бензидина. Раньше эта реакция под названием «бензидиновая проба» использовалась в судебно-медицинской экспертизе для обнаружения следов крови.

Некоторые белки химически связаны с углеводами, их называют гликопротеины. Очень многие белки, секретируемые животной клеткой, являются гликопротеинами - например, известные по предыдущим разделам трансферрин и иммуноглобулины. Однако, желатин, хотя и является продуктом гидролиза секретируемого белка коллагена, практически не содержит присоединенных углеводов. Внутри клетки гликопротеины встречаются гораздо реже.

В лабораторной практике используется много методов определения концентрации белка. В самом простом из них применяется биуретовый реактив - щелочной раствор соли двухвалентной меди. В щелочной среде некоторая часть пептидных связей в молекуле белка переходит в енольную форму, которая образует с двухвалентной медью комплексы, окрашенные в красный цвет. Другой распространенной реакцией на белок является окраска по Бредфорду. В ходе реакции молекулы специального красителя связываются с белковой глобулой, что вызывает резкое изменение окраски - из бледно-коричневого раствор становится ярко-синим. Это краситель - «кумасси ярко-синий» - раньше использовался для окраски шерсти (а шерсть, как известно, состоит из белка кератина). Наконец, для определения концентрации белка можно использовать его свойство поглощать ультрафиолетовый свет с длиной волны 280 нм (его поглощают ароматические аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан). Чем сильнее раствор поглощает такой ультрафиолет, тем больше там содержится белка.

Это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Аминокислоты представляют собой низкомолекулярные органические соединения, содержащие карбоксильную (-СООН) и аминную (-NH 2) группы, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. К атому углерода присоединяется боковая цепь - какой-либо радикал, придающий каждой аминокислоте определенные свойства.

У большей части аминокислот имеется одна карбоксильная группа и одна аминогруппа; эти аминокислоты называются нейтральными . Существуют, однако, и основные аминокислоты - с более чем одной аминогруппой, а также кислые аминокислоты - с более чем одной карбоксильной группой.

Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, однако только 20 из них входят в состав белков. Это так называемые основные или протеиногенные аминокислоты.

В зависимости от радикала основные аминокислоты делят на 3 группы:

1. Неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);
2. Полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);
3. Заряженные (аргинин, гистидин, лизин - положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислота - отрицательно).

Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными и гидрофильными и придают белкам соответствующие свойства.

У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд протеиногенных аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин; аргинин и гистидин - незаменимые для детей.

В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями. Карбоксильная группа (-СООН) способна отдавать протон, функционируя как кислота, а аминная (-NH2) принимать протон, проявляя таким образом свойства основания.

Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты. Образующаяся при этом молекула представляет собой дипептид , а связь -СО-NH- называется пептидной связью.

На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом - свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себя другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется много аминокислот (более 10), то образуется полипептид .

Пептиды играют важную роль в организме. Многие алигопептиды являются гормонами. Таковы окситоцин, вазопрессин, тиролиберин, тиреотропин и др. К олигопептидам относится также брадикидин (пептид боли) и некоторые опиаты («естественные наркотики» человека), выполняющие функцию обезболивания. Принятие наркотиков разрушает опиатную систему организма, поэтому наркоман без дозы наркотиков испытывает 1 сильную боль - «ломку», которая в норме снимается опиатами.

К олигопептидам относятся некоторые антибиотики (например, грамицидин S).

Многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон и др.), антибиотики (например, грамицидин А), токсины (например, дифтерийный токсин) являются полипептидами.

Белки представляют собой полипептиды, в молекулу которых входит от 50 до нескольких тысяч аминокислот с молекулярной массой свыше 10 000.

Каждому белку свойственна в определенной среде своя особая пространственная структура. При характеристике пространственной (трехмерной) структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков.

Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептид ной цепи. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т.е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. От первичной структуры зависят все свойства и функции белков. Замена одной единственной аминокислоты в составе молекул белка или изменение их расположения обычно влечет за собой изменение функции белка. Так как в состав белков входит 20 видов аминокислот, число вариантов их комбинаций в пол и пептидной цепи поистине безгранично, что обеспечивает огромное количество видов белков в живых клетках.

В живых клетках молекулы белков или отдельные их участки представляют собой не вытянутую цепь, а скручены в спираль, напоминающую растянутую пружину (это так называемая α-спираль) или сложены в складчатый слой (β-слой). Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей между -СО- и -NН 2 -группами двух пептидных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация) или между двумя полипептидными цепями (складчатые слои).

Полностью α-спиральную конфигурацию имеет белок кератин. Это структурный белок волос, шерсти, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов. Спиральная вторичная структура характерна, помимо кератина, для таких фибриллярных (нитевидных) белков, как миозин, фибриноген, коллаген.

У большинства белков спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи складываются в трехмерное образование шаровидной формы - глобулу (характерна для глобулярных белков). Глобула определенной конфигурации является третичной структурой белка. Третичная структура стабилизируется ионными, водородными связями, ковалентными дисульфидными связями (которые образуются между атомами серы, входящими в состав цистеина), а также гидрофобными взаимодействиями. Наиболее важными в возникновении третичной структуры являются гидрофобные взаимодействия; белок при этом свертывается таким образом, что его гидрофобные боковые цепи скрыты внутри молекулы, т. е. защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи, наоборот, выставлены наружу.

Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей - возникает четвертичная структура . Такая структура имеется, например, у глобулярного белка гемоглобина. Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных субъединиц (протомеров), находящихся в третичной структуре, и небелковой части - гема. Только в такой структуру гемоглобин способен выполнять свою транспортную функцию.

Под влиянием различных химических и физических факторов (обработка спиртом, ацетоном, кислотами, щелочами, высокой температурой, облучением, высоким давлением и т. д.) происходит изменение третичной и четвертичной структуры белка вследствие разрыва водородных и ионных связей. Процесс нарушения нативной (естественной) структуры белка называется денатурацией . При этом наблюдается уменьшение растворимости белка, изменение формы и размеров молекул, потеря ферментативной активности и т. д. Процесс денатурации иногда обратим, т. е. возвращение нормальных условий среды может сопровождаться самопроизвольным восстановлением естественной структуры белка. Такой процесс называется ренатурацией. Отсюда следует, что все особенности строения и функционирования макромолекулы белка определяются его первичной структурой.

По химическому составу выделяют белки простые и сложные. К простым относятся белки, состоящие только из аминокислот, а к сложным - содержащие белковую часть и небелковую (простатическую) - ионы металлов, углеводы, липиды и др. Простыми белками являются сывороточный альбумин крови, иммуноглобулин (антитела), фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложными белками являются все протеолипиды и гликопротеиды, гемоглобин, большинство ферментов и т.д.

Функции белков

Структурная.

Белки входят в состав клеточных мембран и органелл клетки. Стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия, волосы, ногти, когти у высших животных состоят преимущественно из белков.

Каталитическая (ферментативная).

Белки-ферменты катализируют протекание всех химических реакций в организме. Они обеспечивают расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксацию углерода при фотосинтезе, реакции матричного синтеза и т. п.

Транспортная.

Белки способны присоединять и переносить различные вещества. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы металлов и гормоны. Гемоглобин переносит кислород и углекислый газ.

Молекулы белков, входящие в состав плазматической мембраны, принимают участие в транспорте веществ в клетку и из нее.

Защитная.

Ее выполняют иммуноглобулины (антитела) крови, обеспечивающие иммунную защиту организма. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови и предотвращают кровотечение.

Сократительная.

Обеспечивается движением относительно друг друга нитей белков актина и миозина в мышцах и внутри клеток. Скольжение микротрубочек, построенных из белка тубулина, объясняется движение ресничек и жгутиков.

Регуляторная.

Многие гормоны являются олигопептидами или белками, например: инсулин, глюкагон, аденокортикотропный гормон и др.

Рецепторная.

Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, способны изменить свою структуру на действие внешней среды. Так происходят прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку. Примером может служить фитохром - светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию растений, и опсин - составная часть родопсина , пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.