ГЛАВА 5. БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ
1.
Лигандность – способность белка или фермента образовывать нековалентные взаимодействия с определѐнными веществами – лигандами.
Процесс является обратимым и биоспецифичным (аффинным). Наибольшую аффинность имеет комплекс белка авидина с витамином Н (биотином) и характеризуется константной диссоциации (нестойкости) комплекса 1·10
–15
моль/л
7
, взаимодействие
«антиген-антитело» и
«белок-ДНК» характеризуются меньшей прочностью и константой в пределах 10
–12
-10
–8
моль/л (т.е. процессы могут протекать обратимо), низкую аффинность имеют комплексы «фермент-субстрат» (константа нестойкости 10
–7
-10
–3
моль/л), что обуславливает обратимость реакций и низкую прочность комплексов.
Комплементарное связывание белка с лигандом обеспечивается за счѐт активного центра белка (участок белковой молекулы, как правило, находящийся в еѐ углублении или «кармане», сформированный радикалами аминокислот, собранных на определѐнном пространственном участке при формировании третичной структуры). В ферментативных реакциях лиганды называются субстратами.
2.
Нативность (от лат. nativus – врождѐнный) – для выполнения своей функции белок должен находиться в природном состоянии, иметь определѐнную структуру в трѐхмерном пространстве, которая обеспечивает эффективное взаимодействие с лигандами.
3.
Специфичность
– соответствие лигандов
(субстратов) активному центру белка (фермента). Специфичность может быть абсолютной и относительной (групповой).
4.
Регулируемость – сродство лигандов к белкам в значительной мере зависит как от внешних факторов (ионная сила раствора, тип растворителя, температура, рН), а также от конформации молекулы
7
Данное нековалентное взаимодействие высокоспецифично и имеет наибольшую прочность среди всех известных в современной биохимии связей «белок-лиганд».
26 протеина. Меняя трехмерную структуру белка можно изменять скорость и степень связывания молекул на несколько порядков. Этот эффект реализуется при действии низкомолекулярных регуляторов, которые называются эффекторы.
5.
Кооперативность – свойство четвертичных белков и ферментов менять сродство к молекулам лигандов из-за конформационных изменений в мультимерном комплексе. То есть изменения в одной субъединице влияют на свойства всех остальных белков в надмолекулярной структуре.
Примером реализации кооперативного эффекта является насыщение активных центров гемоглобина молекулами кислорода. Гемоглобин (Hb) – белок, имеющий молекулярную массу 64,5 кДа и представляющий собой практически сферическую молекулу диаметром около 5,5 нм.
Гемоглобин взрослых – тетрамерный белок – содержит две α- и две β- цепи, каждый протомер при этом имеет много общего с белком мышц – миоглобином (характеризуется третичной структурой). Каждый протомер связан с небелковым компонентом – гемом (рис. 9), который в свою очередь нековалентно связывается с лигандом, то есть с О
2
Рис. 9. Структура тетрамера гемоглобина.
Современная модель кооперативного связывания кислорода гемоглобином крови называется последовательной моделью (предложена
Даниэлем Кошландом в 1966 г.).
27 а) б)
Рис. 10. а) Сравнение графиков насыщения гемов миоглобина и гемоглобина
(Р
50
– 50 % насыщение активных центров белка лигандами, что соответствует константе Михаэлиса); б) Влияние рН на кривую диссоциации О
2
для гемоглобина.
Согласно этой модели связывание лиганда с одной из субъединиц белка приводит к конформационным изменениям в соседних, что повышает вероятность связывания последующих молекул кислорода. По этой причине насыщение всех гемов тетрамера Hb происходит не прямо пропорционально концентрации кислорода, а с некоторым ингибированием процесса в начале
(то есть первая молекула кислорода присоединяется труднее всего, а остальные гораздо легче). В результате кривая насыщения приобретает форму гиперболы, тогда как для миоглобина отмечается прямая связь между парциальным давлением кислорода и степенью насыщенности (рис. 10, а).
Кооперативность в значительной мере зависит от рН среды и действия эффекторов. Так при закислении цитозоля эритроцитов (менее 7,2) уменьшается сродство гемоглобина к кислороду и происходит диссоциация оксигемоглобина, напротив защелачивание крови (алкалоз, при рН в эритроцитах более 7,6) увеличивает сродство, что приводит к снижению скорости диффузии кислорода из эритроцитов в ткани (рис. 10, б). В результате развивается тканевая гипоксия.
Ещѐ одним фактором, влияющим на скорость газообмена, является наличие в эритроците 2,3-бисфосфоглицерата (БФГ), образующегося как побочный продукт гликолиза (концентрация БФГ приблизительно равна количеству молекул гемоглобина в эритроците). Встраиваясь между цепями
Hb в центр тетрамера БФГ меняет уровень аффинности к кислороду. Это вещество наибольшую значимость приобретает для адаптации к высокогорью
8
. При подъѐме в горы на высоту более 4000 м концентрация
8
Клиническое значение концентрации БФГ в консервированной крови. В крови, консервированной в некоторых средах, например цитрат-декстрозной, за 10 дней концентрация БФГ снижается с 4,5 до 0,5 мМ.
28
БГФ уже через два дня возрастает с 4,5 до 7,0 мМ. Это снижает сродство гемоглобина к кислороду, и увеличивает количество О
2
транспортируемого в ткани и уменьшает тканевую гипоксию. Аналогичные изменения наблюдаются у пациентов с заболеваниями лѐгких (например, при эмфиземе
9
).
ГЛАВА 6. КЛАССИФИКАЦИИ БЕЛКОВ По биологическим функциям Структурная функция. Все важнейшие структурные компоненты органоидов, клеток и в целом организма включают в свой состав белки.
Например, вещество соединительной ткани и межклеточный матрикс формируют такие белки, как коллаген, эластин, кератин, или белково- углеводные комплексы – протеогликаны. Белки непосредственно участвуют в построении мембран и цитоскелета (интегральные, полуинтегральные и поверхностные белки) –
спектрин (поверхностный, основной белок цитоскелета эритроцитов),
гликофорин (интегральный, фиксирует спектрин на поверхности). К данной функции можно отнести участие белков в формировании органелл, например рибосом.
Ферментативная функция. Подавляюще количество известных ферментов имеют белковую природу, однако существуют и менее эффективные катализаторы, образованные молекулами РНК – рибозимы
10
Гормональная (регуляторная) функция. Регуляцию и согласование обмена веществ в разных клетках организма осуществляют гормоны. Такие гормоны как
инсулин и глюкагон являются белками, все гормоны гипоталамуса и гипофиза являются пептидами или небольшими белками.
Рецепторная функция. Эта функция заключается в избирательном связывании гормонов, биологически активных веществ и медиаторов на поверхности мембран или внутри клеток.
Гемоглобин такой крови имеет очень высокое сродство к О
2
. Если кровь со сниженной концентрацией БФГ переливать тяжелобольным, возникает опасность развития гипоксии тканей. Введѐнные с кровью эритроциты за 24 ч могут восстановить лишь половину нормальной концентрации БФГ. Добавлением в кровь БФГ нельзя восстановить нормальную концентрацию его в эритроцитах, так как, имея высокий отрицательный заряд, БФГ не может проникать через мембраны эритроцитов. Поэтому в настоящее время в кровь добавляют вещества, способные проникать через мембрану эритроцитов и поддерживать в них нормальную концентрацию БФГ.
9
Эмфизема лѐгких – это хроническое неспецифическое заболевание легких, в основе которого лежит стойкое, необратимое расширение воздухоносных пространств и повышенное вздутие легочной ткани дистальнее концевых бронхиол.
10
Рибозимы естественного происхождения катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК.
Кроме того рРНК формируют активные центры рибосом и без участия белков-ферментов осуществляют образование пептидной связи в белках
. Также отмечается, что образование патологических форм прионых белков может катализироваться РНК (рибозимами), подобно действию белков-шаперонов.
В рамках исследований, посвященных происхождению жизни, были синтезированы искусственные рибозимы типа
РНК-полимеразы
, способные при определенных условиях катализировать свою собственную сборку, что доказывает возможность химической эволюции, предшествующей биологической.
29
Транспортная функция. Только белки осуществляют перенос веществ в крови, например, липопротеины (перенос липидов – жирных кислот, триацилглицеролов, холестерола), гемоглобин (транспорт кислорода), гаптоглобин (транспорт гемоглобина), трансферрин (транспорт железа).
Белки транспортируют в крови катионы кальция, магния, железа, меди и другие ионы.
Транспорт веществ через мембраны осуществляют белки – транспортеры и транслоказы, например, глюкозные транспортеры и белковые каналы, переносящие аминокислоты.
Резервная функция. В качестве примера депонированного 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.
Сократительная функция. Существует ряд внутриклеточных белков, предназначенных для изменения формы клетки и движения самой клетки или еѐ органелл (тубулин, актин, миозин).
Генно-регуляторная функция. Гистоны, протамины и негистоновые белки нековалентно связываются с ДНК и участвующие в регуляции репликации, репарации и транскрипции.
Антитоксическая функция. Белки связывают многие токсические вещества (особенно ионы тяжѐлых металлов и молекулы ксенобиотиков) и препятствуют развитию интоксикации в организме. Каждый белок способен образовывать прочные комплексы с ионами тяжѐлых металлов, однако эволюционно возникли специфические протеины и пептиды, содержащие большое количество остатков цистеина и высоко аффинные к ряду загрязнителей, например ионы ртути, кадмия, свинца и соединения мышьяка могут нейтрализовать металлотионеины.
Энергетическая функция. Белки, особенно в состоянии голода, могут служить субстратом для получения энергии, так при окислении 1 г белка выделяется 17,6 кДж (4,1 ккал) энергии, что эквивалентно такому же количеству углеводов. Также белки преобразуются в другие топливные молекулы (глюкозу, кетоновые тела).
Защитная функция. Белки выполняют защитную функцию, предупреждая инфекционный процесс и сохраняя устойчивость организма. К таким
протеинам относятся иммуноглобулины крови, факторы системы комплемента (фактор Р или пропердин), при повреждении тканей работают белки свертывающей системы крови – например, фибриноген, протромбин, антигемофильный глобулин. Механическую защиту в составе слизистых оболочек и кожи осуществляют коллаген, муцин и протеогликаны.
К данной функции также можно отнести поддержание постоянства
коллоидно-осмотического давления крови, создаваемого белками.
Белковая буферная система участвует в регуляции
кислотно-основного состояния (например, важнейшая белковая буферная система
30 эритроцита – гемоглобиновая, а в плазме эту функцию выполняют альбумины и глобулины).
Токсическая функция. Многие самые сильные яды имеют биологическое происхождение и белковое строение.
Например, ботулотоксин
11
вырабатываемый бактериями Clostridium botulinum и приводящий к тяжелому или летальному отравлению при ботулизме; тетаноспазмин (тетанотоксин) продуцируемый вегетативными клетками
Clostridium tetani, вызывающих столбняк; рицин – фитотоксин из семян клещевины; циклические октапептиды бледной поганки – аматоксины и гептапептиды – фаллотоксины, обладающие высокой гепатотоксичностью; холерный токсин (мультисубъединичный белковый токсин, вырабатываемый холерным вибрионом) – приводит к интенсивному обезвоживанию; дифтерийный токсин – вызывает тяжелую общую интоксикацию организма.
Многие клинические симптомы бактериально-токсического шока связаны с действием разнообразных белковых эндо- и экзотоксинов и бактериальных ферментов. Множество токсичных белков содержится в секретах ядовитых желѐз насекомых, медуз, змей, пауков и т.д., что может привести к тяжѐлым отравлениям или гибели людей.
Это интересно
У белков отмечаются и довольно экзотичные функции, например монеллин– выделен из африканского растения
Dioscoreophyllum
cumminsii
(семейства
Луносемянниковые), обладает очень сладким вкусом (примерно в 2000 раз слаще сахарозы), не токсичен и не способствует ожирению.
Соединение, однако, не у всех людей он вызывает ощущение сладости. Пептид характеризуется термической нестойкостью, что делает его практическое применение проблематичным (нагревание до 55-65 °С и ферментативный гидролиз приводят к потере сладкого вкуса).
Резилин – белок составляющий «шарниры» в местах прикрепления крыльев насекомых, в настоящее время является наиболее эффективным упругим белком. Энергия отдачи резилина, изолированного от сухожилия саранчи, составляет 97% (только 3% запасѐнной энергии теряется в виде тепла). Этот белок не имеет постоянной структуры.
Его произвольно свѐрнутые волокна взаимосвязаны ди- и тритирозиновыми мостиками, чтобы предоставлять упругость, нужную для того, чтобы позволить насекомому прыгнуть на длину, превышающую его собственную в 150 раз (как, например, у блох). Резилин служит в течение всей жизни взрослых насекомых, и поэтому претерпевает сотни миллионов растяжений и сжатий, его энергия отдачи обеспечивает работу в течение всей жизни насекомых. Резилин демонстрирует необычное эластичное поведение только в полярных растворителях, таких, как вода. Белки со свойствами антифриза обнаружены у рыб полярных морей, животных полярных и умеренных широт и растений, они предохраняют кровь и другие жидкости от замерзания. Механизм их действия отличается от коллигативных свойств низкомолекулярных полиолов (например, моносахаридов или глицерина) и заключается во взаимодействии плоских высокогидрофильных белковых поверхностей с микрокристаллами льда и торможением их роста. То есть вода переходит в квазижидкое состояние и представляет собой переохлаждѐнный раствор, устойчивый к кристаллизации при температурах до –60 °С и не разрушающий мембраны и биомолекулы. Однако эту функцию могут выполнять и гликолипиды.
11
Является одним из самых сложных белков
, синтезируемых живым организмом.
31
По устойчивости к действию температуры Все белки можно условно разделить на две большие группы –
термостабильные и
термолабильные.
Термостабильные белки выдерживают нагревание до 90-100 °С, в то время как уже небольшое нагревание
термолабильных белков вызывает изменения их конформации, а при 50-60 °С большинство из них необратимо денатурирует. Таким образом, нагревая белковый раствор, можно отделить термостабильные белки, которые будут оставаться в растворимой фракции, от термолабильных, которые выпадут в осадок, легко отделяемый центрифугированием.
По форме молекул Выделяют
фибриллярные и
глобулярные белки. К глобулярным относят протеины, соотношение продольной и поперечной осей которых не превышает 1:10, а чаще составляет 1:4, т.е. белковая молекула имеет форму эллипса. Большинство индивидуальных белков человека относят к глобулярным белкам. Они имеют компактную структуру и многие из них, за счѐт удаления гидрофобных радикалов внутрь молекулы, хорошо растворимы в воде.
Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10.
К фибриллярным белкам относят коллагены, эластин, кератин, выполняющие в организме человека структурную функцию, а также миозин, участвующий в мышечном сокращении, и фибрин – белок свѐртывающей системы крови.
Классификация по химическому строению Некоторые белки содержат в своѐм составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. Их называют
«простые белки». Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в «чистом» виде, они практически всегда нековалентно связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам только по той причине, что связи с небелковой группой слабые и при выделении
in vitro они оказываются свободным от других молекул. К простым белкам можно отнести эластин, альбумин и основные белки хроматина – гистоны.
Простые белки в зависимости от аминокислотного состава разделяют на
кислые (например, альбумины и часть глобулинов крови, пепсин),
нейтральные (некоторые глобулины плазмы, α-амилаза слюны, муцин) и
основные (например, гистоны, протамины, щелочная фосфатаза).
Наибольшее значение имеют белки крови данные по которым приведены в таблице 2 (совокупность белков крови называется
общий белок, его концентрация в норме составляет 60-80 г/л).
Таблица 2.
Важнейшие белки крови.
Название белковой Физико-химические Содержание в Функции 32
фракции свойства крови Сывороточ ный альбумин
Кислый белок
(в составе много остатков глутаминовой кислоты).
Мол. масса
66 кДа. pI≈5, присутствует в крови в форме макроаниона со значительным отрицательны м зарядом.
Сильно гидратирован
35-45 г/л
55-65 %
Синтезируется в печени и составляет большую часть среди всех сывороточных белков.
Из-за высокой концентрации и небольших размеров молекул он на 80 % определяет коллоидно-осмотическое давление плазмы и формирует белковую буферную систему крови.
Общая площадь поверхности молекул альбумина очень велика, поэтому он особенно хорошо подходит для выполнения функции транспорта по крови гидрофобных веществ. К ним относятся: билирубин
12
, жирные кислоты, соли желчных кислот, некоторые экзогенные вещества – пенициллин, сульфамиды, ртуть, липидные гормоны, некоторые лекарства. По этой причине альбумин иногда называют
«молекулы-такси». Конкуренция между лекарствами за места связывания на молекуле альбумина может вызвать увеличение концентрации в свободном виде одного из лекарств или обоих, что повлияет на их активность.
α- глобулины
Кислые, условно простые белки – гликопротеин ы. pI от 2,7 до 5, присутствуют в крови в форме макроаниона
7-13 г/л
12-21 %
α
1
-Антитрипсин образуется в печени, является ингибитором протеиназ (например, эластазы) и обусловливает
92-94% от общей антипротеолитической функции крови.
α
1
-Гликопротеин имеет высокое сродство к полианионам (например, к гепарину) и, возможно, регулирует количество свободного гепарина в плазме.
α
2
-Макроглобулин – высокомолекулярный цинксодержащий белок (725 кДа), содержит 4 идентичных субъединицы и включает углеводный компонент. Белок синтезируется в печени и в иммунокомпетентных клетках.
Является белком острой фазы, контролирует развитие инфекций и воспалительных процессов.
Гаптоглобин – белок острой фазы, синтезируется в печени. Молекулярная масса от
85 до 160 кДа. Гаптоглобин связывает внеклеточный гемоглобин и защищает почки от его токсического действия, участвует в транспорте витамина В
12
Церулоплазмин (ферроксидаза), М≈135 кДа, содержит по 8 ионов Cu
+
и Cu
2+
(0,27-0,32% всей массы белка). Регулятор обмена меди в организме – транспортирует ионы меди из печени в другие органы. Церулоплазмин
является оксидазой полифенолов и диаминов,
12
Одна молекула альбумина может одновременно связать 25-50 молекул билирубина.
33 катализирует окисление Fe
2+
в Fe
3+
и этим способствует насыщению апотрансферрина, участвует в обмене биогенных аминов
(адреналина, норадреналина, серотонина) и аскорбиновой кислоты.
β- глобулины
Кислые белки, большую часть времени существуют в форме сложных металлопроте инов. pI=5,9, присутствует в крови в форме макроаниона
7-11 г/л
8-18 %
Трансферрин – белок, транспортирующий железо между тканями. Присоединяет только
Fe
3+
(вместе с НСО
3
–
), синтезируется в печени и тканевых макрофагах. В отсутствие железа белок может связывать также Cr
2+
, Mn
3+
, Cu
2+
Стероид-связывающий β-глобулин связывает и транспортирует гормоны, такие как тестостерон
(около 60% циркулирующего гормона), эстрадиол, другие стероиды, что регулирует долю свободной (активной) фракции гормонов.
Синтез белка стимулируется эстрадиолом, подавляется андрогенами.
C-реактивный белок – белок острой фазы, концентрация которого повышается при воспалении.
γ- глобулины
(антитела)
Нейтральные гликопротеин ы
8-16 г/л
15-25 %
Иммуноглобулины G – основные иммуноглобулины сыворотки, осуществляют гуморальную защиту организма от бактерий и вирусов и их растворимых токсинов
(антигенов). Активно транспортируются через плаценту. У детей должная концентрация достигается только к 1,5-2 годам.
Иммуноглобулины А осуществляют местный иммунитет на слизистых поверхностях дыхательных путей (носовой и бронхиальный секрет) и кишечного тракта. Они присутствуют в женском молозиве, слезах, слюне. После рождения количество секреторного IgA (на слизистых) достигает уровня взрослых уже на
2-3 неделе жизни, сывороточного IgA – только к
14-15 годам.
Иммуноглобулины М появляются в процессе формирования иммунного ответа, являясь первичными антителами. Вскоре после рождения их уровень нарастает, достигает максимума к 9 месяцу жизни, после чего снижается и восстанавливается только к 20-30 годам.
Иммуноглобулины Е вырабатываются плазматическими клетками и участвуют в аллергических реакциях организма.
Иммуноглобулины D не имеют чѐткой сформированной функции. Предполагается, что они регулируют активность других иммуноглобулинов и участвуют в антиген- зависимой дифференцировке лимфоцитов.
34
Примерами простых белков с сильными основными свойствами являются гистоны и протамины.
Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно (макрокатионы) и связываются с
ДНК, образуя дезоксирибонуклеопротеины. Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н
1
, другие гистоны Н
2а
, H
2b
, Н
3
, Н
4
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. Регуляция активности генома, а именно – они препятствуют транскрипции.
2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК.
Гистоны в комплексе с ДНК образуют нуклеосомы – октаэдрические структуры, состоящие из гистонов Н
2а
, H
2b
, Н
3
, Н
4
(рис. 7 и 11). ДНК обвивает октомер гистонов 2,5 раза, в результате образуется нуклеосома. Благодаря такой укладке достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз
13
. Гистон H
1
связан с молекулой ДНК между нуклеосомами (на линкерных участках) и не позволяет молекуле нуклеиновой кислоты «соскользнуть» с гистонового октамера.
Рис. 11. Этапы организации хроматина.
Протамины – белки массой от 4 кДа до 12 кДа, имеются в ядрах сперматозоидов многих организмов, в сперме рыб они составляют основную массу белка. Протамины являются заменителями гистонов и служат для организации хроматина в спермиях. По сравнению с гистонами протамины отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Также, в отличие от гистонов, протамины обладают только структурной функцией, регулирующей функции у них нет, хроматин в сперматозоидах неактивен.
Сложные белки – это молекулы, в составе которых наряду с полипептидной цепью имеется небелковая часть органического или
13
Благодаря гистонам и формированию более сложных структур размеры ДНК, в конечном итоге, уменьшаются в тысячи раз: на самом деле длина ДНК достигает 6-9 см (10
–1
), а размеры хромосом – всего несколько микрометров (10
–6
).
35 неорганического происхождения, соединѐнная с белком слабыми взаимодействиями или ковалентными связями. Прочно связанная с
апобелком (апопротеином) небелковая часть носит название
простетической группы. Как правило, присоединение небелкового компонента может происходить либо во время процесса трансляции
(биосинтеза белка на рибосомах) – и тогда изменение структуры белка называют
котрансляционной модификацией, либо после завершения синтеза полипептидной цепи – в таком случае говорят о
посттрансляционной модификации.
Условно сложные
белки можно разделить на такие классы, как хромопротеины, металлопротеины, липопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины, фосфопротеины.
В
хромопротеинах небелковым компонентом являются разнообразные окрашенные вещества, прежде всего гем и флавин (производное витамина
В
2
). У гемопротеинов гем может быть соединѐн с апопротеином как с помощью ковалентных, так и нековалентных связей, белки при этом имеют красную окраску. Например, в молекуле миоглобина гем связан с апобелком с помощью координационной связи с остатком гистидина глобулина.
Поскольку число таких нековалентных межатомных взаимодействий достигает 80, это обеспечивает прочное связывание простетической группы с апопротеином. Примером ковалентного связывания гема с белковой частью гемопротеина является цитохром
с. В этом белке гем связан с апоцитохромом с помощью сульфгидрильных (-SH) групп двух остатков цистеина.
Цитохром
с – небольшой водорастворимый гемопротеин митохондрий осуществляет одноэлектронный перенос электронов, в котором участвует железо гема. Ион железа может принимать и отдавать электроны, поочерѐдно переходя в ферро- (Fe
2+
) и ферри- (Fе
3+
) формы.
Простетической группой флавопротеинов является активная форма рибофлавина – витамина В
2
(ФАД –
флавинадениндинуклеотид или ФМН –
флавинаденинмононуклеотид), которая придаѐт им жѐлто-оранжевую окраску. Небелковый компонент ковалентно связан с различными аминокислотными остатками белка (например, гистидином или цистеином).
Флавопротеины выполняют различные функции: катализируют окислительно-восстановительных реакции, участвуя в переносе электронов и протонов от насыщенных соединений в электронно-транспортной цепи и ряде других ферментов, принимают участие в в фотохимических реакциях в клетках кожи и сетчатке.
Примером хромо- и одновременно металлопротеина является церулоплазмин – медь-содержащий белок плазмы, выполняющий функции по окислению поступающего в организм железа и переносчика меди. Сам белок имеет синюю (голубую) окраску. На одну молекулу приходится 6-7 ионов меди (Cu
2+
). Белок, переносящий кобальт-содержащий витамин В
12
(транскобаламин II) – розового цвета.
36
Металлопротеины – группа белков, в составе которых имеются ионы одного или нескольких металлов, связанные с апобелком ионными или координационными связями. К этой же группе можно отнести белки, содержащие сложные неорганические анионы – арсенат, селенит и другие.
Металлопротеины часто являются ферментами или транспортными белками.
Ионы металлов, входящие в состав активного центра фермента: участвуют в ориентации субстрата, формируют ковалентные связи с интермедиатами реакции, являются донорами или акцепторами электронов при взаимодействии фермента с субстратами.
К металлопротеинам относятся белки, содержащие:
- медь – например, цитохромоксидаза, которая в комплексе с другими ферментами дыхательной цепи митохондрий участвует в тканевом дыхании;
- железо – например, ферритин, депонирующий железо в клетке; трансферрин, переносящий железо в крови;
- цинк – например, ферменты: алкогольдегидрогеназа, обеспечивающая метаболизм этанола и других спиртов; лактатдегидрогеназа, участвующая в метаболизме молочной кислоты; карбоангидраза, образующая угольную кислоту из CO
2
и H
2
O; щелочная фосфатаза, гидролизующая фосфорные эфиры различных соединений; α
2
-макроглобулин, антипротеазный белок крови; карбоксипептидаза – фермент кишечника;
- кальций – α-амилаза слюны и панкреатического сока, гидролизующая крахмал;
- молибден – ксантиноксидаза, катализирует окисление ксантина и гипоксантина в мочевую кислоту – продукта катаболизма пуриновых оснований;
- магний – гексокиназа, отвечающая за реакцию фосфорилирования глюкозы;
- марганец – супероксиддисмутаза, отвечающая за реакцию обезвреживания супероксид-радикала О
2
·
¯
(другие изоформы могут содержать медь);
- никель – уреаза, катализирующая распад мочевины до аммиака и углекислого газа.
К классу липопротеинов традиционно относят надмолекулярные комплексы, представляющие собой микрокаплю, состоящую из смеси простых и сложных липидов, нековалентно взаимодействующих с белками
(рис. 12).
37
Рис. 12. Структура липопротеина.
Поверхность липопротеиновой
частицы гидрофильна и сформирована белками, фосфолипидами и свободным холестеролом. Триацилглицеролы и эфиры холестерола составляют гидрофобное ядро.
Белки в липопротеинах называются
апопротеинами. В каждом типе липопротеинов преобладают соответствующие ему апобелки, которые выполняют структурную и рецепторную функции, либо являются ферментами метаболизма липопротеинов. Различают четыре основных класса липопротеинов:
- липопротеины высокой плотности (ЛПВП, α-липопротеины, α-ЛП),
- липопротеины низкой плотности (ЛПНП, β-липопротеины, β-ЛП),
- липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП, пре-β- липопротеины, пре-β-ЛП),
- хиломикроны (ХМ).
Все липопротеины транспортируют липиды. Например, хиломикроны
(ХМ) синтезируются в энтероцитах и транспортируют липиды экзогенного происхождения (то есть те, которые поступили с пищей), ЛПОНП – синтезируются в печени и транспортируют липиды (в основном триацилглицеролы и холестерол) к органам и тканям, а ЛПВП, синтезированные в печени, отвечают за транспорт холестерола из клеток в печень.
Гликопротеины или
глюкоконъюгаты – это белки, содержащие углеводный компонент, ковалентно присоединѐнный к полипептидной основе. Содержание углеводов в них варьирует от 1 до 85% по массе.
Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопротеины.
Гликопротеины содержат в своѐм составе не более 15-20 % углеводов, в которых отсутствуют остатки уроновых кислот, и имеются короткие олигосахаридные цепи (из 10-15 звеньев) нерегулярного строения.
38
Олигосахарид содержит маннозу, галактозу, глюкозу, и их аминопроизводные, также N-ацетилнейраминовую кислоту. Углевод присоединен к аминокислотам белковой цепи либо N-гликозидной связью – к амидному азоту аспарагина, либо О-гликозидной связью – к гидроксигруппе остатков серина, треонина, гидроксилизина (рис. 13).
Рис. 13. Способы прикрепления углевода к белку.
Функциями гликопротеинов являются:
1. Структурная – многие белки клеточных мембран, клеточной стенки бактерий, костного матрикса.
2. Защитная – например, антитела (иммуноглобулины), интерферон, факторы свѐртывания крови (протромбин, фибриноген), белки системы комплемента.
3. Рецепторная – белки-рецепторы гормонов; белки, обеспечивающие межклеточный контакт (клетка-клетка, вирус-клетка, бактерия-клетка).
4. Гормональная – гонадотропный, адренокортикотропный и тиреотропный гормоны.
5. Ферментативная – холинэстераза, нуклеаза, гликозидазы, протеазы.
6. Транспортная – перенос веществ в крови и через мембраны, например, транскортин и Na
+
,К
+
-АТФаза.
Протеогликаны – это сложные белки, доля углеводного компонента в которых более 80 % от массы молекулы. Протеогликаны состоят из гетерополисахаридов, имеющих повторяющиеся дисахаридные звенья.
Дисахариды включают в себя какую-либо уроновую кислоту и аминосахар.
Многократно дублируясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. Для углеводной части встречаются другие названия – кислые гетерополисахариды (т.к. имеют много кислотных групп), гликозаминогликаны (содержат аминогруппы). Избыток анионных групп
(сульфатных, карбоксильных) придаѐт молекулам гликозаминогликанов высокий отрицательный заряд.
Известно 7 типов полисахаридов, связанных с белками в составе протеогликанов к ним относятся, например, гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты. Эти молекулы входят в состав протеогликанов, функцией которых является структурная организация межклеточного матрикса и обеспечение взаимодействия с
39 внеклеточными молекулами, например белками плазмы, ферментами. Они могут участвовать в регуляции роста клеток и межклеточных взаимодействиях. За счѐт большого отрицательного заряда они способствуют удержанию воды и ионов, также выступают как смазочный и структурный компонент суставов и других тканевых структур (рис. 14).
Рис. 14. Структурный элемент межклеточного матрикса – протеогликановый комплекс.
Углеводная часть, аналогично с гликопротеинами, связывается с белком через остатки серина и аспарагина. При помощи электронной микроскопии выяснено, что протеогликановые агрегаты хряща имеют древовидную структуру – в центре находится гиалуроновая кислота, которая через связующие белки присоединяет многочисленные «веточки» из хондроитинсульфатов, кератансульфатов, дерматансульфатов (рис. 14).
Молекулы гликанов весьма гидрофильны, создают сетчатый гелеобразный матрикс и заполняют пространство между клетками, являясь преградой для крупных молекул и микроорганизмов.
Нуклеопротеины – это белки, связанные с нуклеиновыми кислотами.
Они составляют существенную часть рибосом, хроматина, вирусов.
В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибосомальными белками. Вирусы являются практически чистыми рибо- или дезоксирибонуклеопротеинами.
В хроматине нуклеиновая кислота представлена дезоксирибонуклеиновой кислотой, связанной с разнообразными белками, среди которых можно выделить две основные группы – гистоны (рис. 11) и негистоновые белки.
Негистоновые белки составляют около 20% от всех белков хроматина.
По определению, негистоновые белки – это все белки хроматина, кроме гистонов, выделяющиеся с хроматином или хромосомами. Это
сборная группа белков, отличающихся друг от друга, как по общим свойствам, так и по функциональной значимости.
Во фракцию негистоновых белков может входить около 450 индивидуальных белков с различной молекулярной массой (5-200 кДа).
40
Среди негистоновых белков обнаруживается целый ряд регуляторных белков как стимулирующих инициацию транскрипции, так и ингибирующих еѐ, обнаружены белки, специфически связывающиеся с определѐнными последовательностями на ДНК. К негистоновым белкам относят также ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (ДНК- полимеразы, ДНК-топоизомеразы, метилазы ДНК и РНК, РНК-полимеразы,
РНКазы и ДНКазы и т.д.), белки хроматина (протеинкиназы, метилазы, ацетилазы, протеазы и др.) и многие другие.
Фосфопротеины – это белки, в которых присутствует остаток фосфорной кислоты (фосфат). Она ковалентно связывается с пептидной цепью через остатки тирозина, серина и треонина, т.е. тех аминокислот, которые содержат ОН-группу через сложноэфирную связь.
Остаток фосфорной кислоты придаѐт заряд белковой молекуле, увеличивая еѐ растворимость и изменяя свойства. Фосфопротеины – важный источник энергетического и пластического материала в процессе эмбриогенеза (ихтулин, овальбумин) и дальнейшего роста и развития организма (казеин).
В клетке присутствует много белков, которые связаны с фосфатом не постоянно, а в зависимости от активности метаболизма. Белок может многократно переходить в фосфорилированную или в дефосфорилированную форму, что играет регулирующую роль в его работе, например, в функционировании ключевых ферментов метаболических процессов, передаче гормонального сигнала.
Рис. 15. Схема ковалентной модификации белковой молекулы
(фосфорилирования-дефосфорилирования).
Скачать 5.92 Mb.