Дестабилизирующие белки функции. Классификация белков. биологические функции белков. Двигательная или сократительная, функция

Работа и функции белков лежат в основе структуры любого организма и всех протекающих в нем жизненных реакций. Любые нарушения этих белков приводят к изменению самочувствия и нашего здоровья. Необходимость изучения строения, свойств и видов белков кроется в многообразии их функций.

Первые слова из определения Ф.Энгельсом понятия жизни "Жизнь есть способ существования белковых тел, .... " до сих пор, по прошествии полутора веков, не потеряли своей правильности и актуальности.

Структурная функция

Вещество соединительной ткани и межклеточный матрикс формируют белки коллаген , эластин , кератин , протеогликаны .
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 в создании органелл – рибосомы .

Ферментативная функция

Все ферменты являются белками.

В то же время есть данные о существовании рибозимов , т.е. рибонуклеиновых кислот, обладающих каталитической активностью.

Гормональная функция

Регуляцию и согласование обмена веществ в разных клетках организма осуществляют гормоны. Такие гормоны как инсулин и глюкагон являются белками, все гормоны 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.

Транспортная функция

Только белки осуществляют перенос веществ в крови , например, липопротеины (перенос жира), гемоглобин (связывание кислорода), гаптоглобин (транспорт гема), трансферрин (транспорт железа). Белки транспортируют в крови катионы кальция, магния, железа, меди и другие ионы.

Транспорт веществ через мембраны осуществляют белки - Na + ,К + -АТФаза (антинаправленный трансмембранный перенос ионов натрия и калия), Са 2+ -АТФаза (выкачивание ионов кальция из клетки), глюкозные транспортеры .

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 ее органелл (тубулин , актин , миозин ).

Защитная функция

Защитную функцию, предупреждая инфекционный процесс и сохраняя устойчивость организма, выполняют иммуноглобулины крови, факторы системы комплемента (пропердин), при повреждении тканей работают белки свертывающей системы крови - например, фибриноген, протромбин, антигемофильный глобулин. Механическую защиту в виде слизистых и кожи осуществляют коллаген и протеогликаны .

К данной функции также можно отнести поддержание постоянства коллоидно-осмотического давления крови, интерстиция и внутриклеточных пространств, а также иные функции белков крови .

Белковая буферная система участвует в поддержании кислотно-щелочного состояния .

Существуют белки, которые являются предметом особого изучения:

Монеллин – выделен из африканского растения, обладает очень сладким вкусом, не токсичен и не способствует ожирению.

Резилин – обладает почти идеальной эластичностью, составляет „шарниры" в местах прикрепления крыльев насекомых.

Белки со свойствами антифриза обнаружены у антарктических рыб, они предохраняют кровь от замерзания

• Вперёд >

Еще значения слова и перевод СПИРАЛЬ-ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ БЕЛКИ с английского на русский язык в англо-русских словарях.
Что такое и перевод СПИРАЛЬ-ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ БЕЛКИ с русского на английский язык в русско-английских словарях.

More meanings of this word and English-Russian, Russian-English translations for СПИРАЛЬ-ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ БЕЛКИ in dictionaries.

• СПИРАЛЬ — f. spiral, helix; спираль Архимеда, spiral of Archimedes; si-ci-спираль, si-ci spiral, Nielsen"s spiral
  Russian-English Dictionary of the Mathematical Sciences
• СПИРАЛЬ — Spiral
  
• БЕЛКИ — Protein
  Русско-Американский Английский словарь
• СПИРАЛЬ — spiral спиралью, по спирали — in a spiral
  
• СПИРАЛЬ
  Русско-Английский словарь общей тематики
• СПИРАЛЬ — 1) цитол. coil 2) helix 3) spiral 4) spire
  Новый Русско-Английский биологический словарь
• БЕЛКИ — Fibers
  Russian Learner"s Dictionary
• СПИРАЛЬ — spiral
  Russian Learner"s Dictionary
• СПИРАЛЬ
  Русско-Английский словарь
• СПИРАЛЬ — ж. spiral спиралью, по спирали — in a spiral
  Russian-English Smirnitsky abbreviations dictionary
• СПИРАЛЬ — spiral
  Russian-English Edic
• СПИРАЛЬ — coil, curl, helix, spiral line, snail, spiral
  Русско-Английский словарь по машиностроению и автоматизации производства
• СПИРАЛЬ
  Русско-Английский краткий словарь по общей лексике
• СПИРАЛЬ — coil, helix, scroll, winding, spiral, volute
  Русско-Английский словарь по строительству и новым строительным технологиям
• СПИРАЛЬ — Spiral
  
• БЕЛКИ — Protein
  Британский Русско-Английский словарь
• БЕЛКИ — (блат.) деньги
  
• БЕЛКИ — Деньги
  Англо-Русско-Английский словарь сленга, жаргона, русских имен
• СПИРАЛЬ — spiral; (пружина) spiral spring; ~ый spiral; ~ная линия spiral; ~ная пружина spiral/coil spring
  Русско-Английский словарь - QD
• СПИРАЛЬ — см. двигаться по спирали
  Русско-Английский научно-технический словарь переводчика
• БЕЛКИ — БЕЛКИ Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же …
  Русский словарь Colier
• БЕЛКИ — БЕЛКИ Белки в твердом состоянии белого цвета, а в растворе бесцветны, если только они не несут какой-нибудь хромофорной (окрашенной) группы, …
  Русский словарь Colier
• БЕЛКИ — БЕЛКИ Строение. Белки - это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев, или субъединиц, роль которых играют …
  Русский словарь Colier
• БЕЛКИ — БЕЛКИ Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, …
  Русский словарь Colier
• БЕЛКИ — (протеины), класс сложных азотсодержащих соединений, наиболее характерных и важных (наряду с нуклеиновыми кислотами) компонентов живого вещества. Белки выполняют многочисленные и …
  Русский словарь Colier
• СПИРАЛЬ — ж. helix
  Русско-Aнглийский автомобильный словарь
• СПИРАЛЬ
  Большой Русско-Английский словарь
• СПИРАЛЬ — спираль spiral
  Русско-Английский словарь Сократ
• WHISK — 1. сущ. метел(оч)ка; сбивалка (напр., для яиц) egg whisk ≈ веничек для взбивания яиц 2. гл. 1) смахивать, сгонять (часто …
  
• WHIP — 1. сущ. 1) а) кнут, хлыст to crack, snap a whip ≈ щелкать кнутом/хлыстом б) обметка (петель и т. п.) …
  Большой Англо-Русский словарь
• VOLUTE — 1. сущ. 1) спираль 2) архит. волюта; завиток (архитектурная особенность ионического стиля) 3) зоол. спиралевидная раковина брюхоногого моллюска или сам …
  Большой Англо-Русский словарь
• SPONGE — 1. сущ. 1) а) губка б) мед. тампон (из марли и ваты) 2) а) предметы или явления, напоминающие губку: …
  Большой Англо-Русский словарь
• SPIRE — I сущ. что-л. заостренной или конусообразной формы 1) шпиль, игла, острие 2) верхушка дерева 3) язык пламени 4) остроконечная башенка …
  Большой Англо-Русский словарь
• SPIRAL — 1. сущ. 1) а) спираль, винтовая линия - helix spiral of Archimedes б) виток (спирали) Syn: coil I 1. …
  Большой Англо-Русский словарь
• SNAIL — сущ. 1) улитка - snail"s pace 2) разг. а) тихоход; медлительный человек б) лежебока, лентяй Syn: sluggard 3) тех. …
  Большой Англо-Русский словарь
• SCROLL — 1. сущ. 1) а) свиток (на котором что-л. написано); что-л. свернутое в цилиндр Syn: roll б) уст. письмо, послание …
  Большой Англо-Русский словарь
• HELIX — сущ. 1) спираль, винтовая линия Syn: spiral 1. 2) архит. волюта, завиток Syn: volute 1. 3) анат. завиток …
  Большой Англо-Русский словарь
• GYRE — 1. сущ. 1) поэт.; книж. круговое вращение; кружение; вихрь, вихревое движение The poet evokes an atmosphere of mystery within the …
  Большой Англо-Русский словарь
• DISTURBING — прил. беспокоящий, волнующий It is disturbing to find evidence of widespread corruption. ≈ Свидетельства широко распространенной коррупции очень расстраивают. Syn …
  Большой Англо-Русский словарь
• BUN — I сущ. 1) сдобная булочка с изюмом cinnamon, sticky bun ≈ булочка с корицей 2) пучок, узел (волос) She wore …
  Большой Англо-Русский словарь
• WHIP — whip.ogg 1. wıp n 1. плеть, плётка; кнут; хлыст; розга; прут, хворостина to ride whip and spur - мчаться во …
  Англо-Русско-Английский словарь общей лексики - Сборник из лучших словарей
• SPIRAL — spiral.ogg _I 1. ʹspaı(ə)rəl n 1. спираль low spiral - передняя горизонтальная спираль «ласточка» (фигурное катание) 2. спираль, …
  Англо-Русско-Английский словарь общей лексики - Сборник из лучших словарей
• DISTURBING — disturbing.ogg dısʹtɜ:bıŋ a 1. вызывающий нарушение равновесия; возмущающий disturbing factors - дестабилизирующие факторы 2. тревожный, вызывающий беспокойство disturbing news - …
  Англо-Русско-Английский словарь общей лексики - Сборник из лучших словарей
• COIL — 1) спираль || скручивать (свёртывать) в спираль 2) виток 3) рулон (полосового материала) 4) бухта, бунт (проволоки, …
  Большой Англо-Русский политехнический словарь
• WHIP — 1. n 1. плеть, плётка; кнут; хлыст; розга; прут, хворостина to ride ~ and spur - мчаться во весь …
  
• SPIRAL — I 1. [ʹspaı(ə)rəl] n 1. спираль low ~ - передняя горизонтальная спираль «ласточка» (фигурное катание) 2. спираль, предмет …
  Новый большой Англо-Русский словарь - Апресян, Медникова
• DISTURBING — a 1. вызывающий нарушение равновесия; возмущающий ~ factors - дестабилизирующие факторы 2. тревожный, вызывающий беспокойство ~ news - огорчительные новости
  Новый большой Англо-Русский словарь - Апресян, Медникова
• WHIP — 1. wıp n 1. плеть, плётка; кнут; хлыст; розга; прут, хворостина to ride whip and spur - мчаться во весь …
  
• SPIRAL — _I 1. ʹspaı(ə)rəl n 1. спираль low spiral - передняя горизонтальная спираль «ласточка» (фигурное катание) 2. спираль, предмет …
  Большой новый Англо-Русский словарь
• DISTURBING — a 1. вызывающий нарушение равновесия; возмущающий disturbing factors - дестабилизирующие факторы 2. тревожный, вызывающий беспокойство disturbing news - огорчительные новости
  Большой новый Англо-Русский словарь
• PERFORINS — каналообразующие белки, пороформирующие белки, перфорины
  Новый Англо-Русский словарь по биологии

Белки, связанные с микротрубочками (MAP), регулируют их сборку, стабилизируя или дестабилизируя микротрубочки

MAP определяют степень вероятности роста или диссоциации микротрубочки

MAP могут присоединяться к различным сайтам на микротрубочках. Некоторые белки связываются с телом трубочки, некоторые только с концами. Другие связываются только с димерами тубулина, предотвращая их дальнейшую полимеризацию

Оборачиваемость микротрубочек регулируется изменением баланса между активными стабилизаторами и дестабилизаторами

Активность MAP регулируется их фосфорилированием

MAP также способны связывать мембраны или белковые комплексы с микротрубочками

Являясь компонентом цитоскелета , микротрубочки используются клеткой для выполнения разнообразных функций. В одних случаях необходимы стабильные микротрубочки, в других используются динамические. Часто в клетках, к стенкам или концам микротрубочек присоединяются органеллы или другие структуры (включая прочие компоненты цитоскелета). Для выполнения всех этих задач клетки используют ряд белков, которые называются белками, связанными с микротрубочками (англ. microtubule-associated proteins, MAP). Некоторые MAP модифицируют динамическую нестабильность, активируя или ингибируя процессы полимеризации или деполимеризации тубулина на концах микротрубочек.

Другие функционируют в качестве линкеров между концами микротрубочек и мембранными везикулами или другими микроструктурами. Некоторые МАР выполняют обе функции, регулируя сборку микротрубочек и связывание с ними различных компонентов.

Впервые МАР были идентифицированы в составе белков препаратов микротрубочек, выделенных из ткани головного мозга млекопитающих. Эта процедура схематически представлена на рисунке ниже. Два белка, названные МАР2 и tau, обнаружены только в нейронах, и обеспечивают существование долгоживущих микротрубочек, необходимых для функционирования аксонов и дендри-тов. Они присоединяются вдоль тела микротрубочек Поскольку эти белки присоединяются сразу к нескольким субъединицам тубулина, они определяют частоту наступления переходов динамической нестабильности.

Оба белка подавляют наступление катастроф и сильно увеличивают вероятность спасения микротрубочек , тем самым делая маловероятной их разборку. В результате образуются длинные микротрубочки, которые существуют гораздо дольше, чем это возможно для микротрубочек, содержащих только тубулин. Обычно эти белки связываются по длине всей микротрубочки, покрывая ее поверхность, и выглядят как скобы, укрепленные на стенке микротрубочки, сильно затрудняющие отщепление субъединиц.

Некоторые белки связываются только с плюс-концами микротрубочек . Они обозначаются как «+TIPs». Если пометить эти белки флуоресцентной меткой, они будут выглядеть как короткие участки, расположенные на плюс-концах микротрубочек. +TIPs связываются с микротрубочкой только при наличии растущего плюс-конца и, по-видимому, способны перемещаться на растущий конец. На рисунке ниже представлена микрофотография клетки, экспрессирующей флуоресцентно меченый +TIP. Видеосъемка показывает, что белок выглядит как множество небольших комет, движущихся в цитоплазме, причем каждая комета соответствует растущему концу отдельной микротрубочки.

Предполагается, что по мере добавления новых тубулиновых субъединиц к растущему концу микротрубочки к ним присоединяются индивидуальные белки +TIP. Каждый белок остается связанным с микротрубочкой лишь в течение короткого времени и затем отщепляется. Пока белок находится в связанном состоянии, микротрубочка продолжает расти, и к ней все время добавляются новые +TIPs. Постоянное добавление белков +TIP к концу микротрубочки и их отщепление, когда они оказываются позади зоны роста, позволяет прийти к выводу, о том, что концентрация связанного +TIP белка на концах микротрубочек всегда выше.

С концами микротрубочек связываются несколько различных групп белков. Один из белков, родственный +TIP, обнаружен в различных клетках и называется CLIP-170. Этот белок служит примером MAP белка, обладающего двумя функциями, поскольку он способен стабилизировать микротрубочки, способствуя их спасению, а также связывать с ними эндосомы.

Когда в клетке возникает необходимость в очень динамичных микротрубочках , например в митозе, их обмен возрастает. При этом скорость обмена субъединиц увеличивается за счет MAP которые снижают стабильность микротрубочек. В основе дестабилизирующего действия белков лежит увеличение вероятности наступления катастроф, приводящих к укорачиванию микротрубочек. Они также снижают вероятность наступления спасений и до начала возобновления роста микротрубочки теряют много своих субъединиц. Дестабилизаторы реализуют свое действие по трем механизмам: они способны разрушать ГТФ-кэпы и стимулировать наступление катастроф; они могут разрезать микротрубочки на куски с образованием множества концов, способных к диссоциации; и наконец, они связывают свободные тубулиновые субъединицы, что снижает доступное для полимеризации количество тубулина. Эти механизмы представлены на

Разрезание микротрубочек происходит с помощью белка катанина, который получил свое название от японского слова «катана», что значит меч. Катанин действует, связываясь со стенкой микротрубочки и нарушая контакты между субъединицами тубулина. Для образования разреза необходимо присоединение к микротрубочке нескольких молекул катанина, а также гидролиз АТФ. Хотя механизм разрезания микротрубочек вполне понятен, пока не ясно, каким образом катанин реализует свою активность в клетке. Белок обнаружен во всех клетках, и исследования на мутантах и с применением ингибиторов свидетельствуют о том, что он участвует в основных клеточных процессах.

Например, в клетках некоторых организмов катанин необходим для сборки митотического веретена. Также белок требуется для организации микротрубочек в клетках растений. Однако в обоих случаях непонятно, каким конкретным образом он реализует свой эффект в клетке. Возможно, что он ускоряет деполимеризацию длинных микротрубочек, разрезая их на несколько частей. Это особенно необходимо для крупных клеток, таких как яйцеклетка. Впрочем, катанин может играть и другую роль. Он обнаружен в центросомах некоторых клеток, и предполагается, что белок принимает участие в отделении новообразованных микротрубочек от ЦОМТ.

Примером белка, дестабилизирующего микротрубочки за счет разрушения ГТФ-кэпа, служит кинезин, связанный с митотической центромерой (МСАК). Он является представителем группы молекулярных моторов - кинезинов и играет важную роль в контроле динамики микротрубочек в митозе. В отличие от большинства белковых моторов, МСАК не транспортирует различные молекулы. Он лишь связывается с концами микротрубочек и дестабилизирует их структуру, способствуя образованию протофиламентов, которые отклоняются от прямолинейной ориентации. Такие закрученные протофиламенты теряют контакт с соседними субъединицами, разрушается ГТФ-кэп, и микротрубочка начинает укорачиваться. Затем из деполимеризующихся тубулиновых субъединиц высвобождается МСАК, который снова может связаться с микротрубочками.

Насколько динамичными являются микротрубочки в определенный момент времени, зависит от состояния баланса между стабилизаторами и дестабилизаторами. Сдвиг баланса при активации или инактивации различных МАР повлечет за собой или увеличение стабильности микротрубочек, или усиление обмена субъединиц. Предположение о том, что динамика микротрубочек регулируется за счет баланса между стабилизирующими и дестабилизирующими МАР, впервые было выдвинуто при исследовании двух МАР из яйцеклеток лягушки - ХМАР215 (стабилизатор микротрубочек) и МСАК. Удаление из клеток белка ХМАР215 приводит к относительному увеличению содержания белка МСАК; в результате этого в клетке образуются очень короткие микротрубочки, и увеличивается частота наступления катастроф.

Напротив, удаление МСАК благоприятствует смещению баланса в сторону более стабильных микротрубочек, которые достигают значительной длины, поскольку катастрофы наступают редко. Необходим надлежащий баланс между ХМАР215 и МСАК; в противном случае образуется функционально неполноценное веретено деления.

Каким образом регулируется активность MAP? Вообще говоря, изменения стабильности микротрубочек наступают слишком быстро для того, чтобы они обеспечивались экспрессией генов, кодирующих MAP. Поэтому активность многих MAP регулируется степенью их фосфорилирования. Например, при фосфорилировании белка tau его сродство к микротрубочкам снижается. Это приводит к снижению стабилизирующих свойств белка. Фосфорилирование MAP не обязательно проходит во всей клетке. При локальной активации киназы в небольшой области клетки активность MAP может измениться только в этой области. Переключая функции стабилизаторов и дестабилизаторов между состояниями «включено» и «выключено», клетка может поддерживать баланс, обеспечивающий присутствие более стабильных или более динамических микротрубочек.

За счет локального изменения активности MAP , клетка может реагировать на поступление внешних сигналов, обеспечивая в определенных своих частях рост более длинных микротрубочек или их диссоциацию. Локальная регуляция активности MAP происходит при изменении клеточной подвижности и, в частности, при сборке митотического веретена.

Фосфорилирование белка tau связано с болезнью Альцгеймера , хотя и не показано, что изменение динамики микротрубочек играет роль при этом заболевании. Когда tau белок подвергается гиперфосфорилированию, он образует фибриллярные агрегаты, которые можно наблюдать в головном мозге больных. Неясно, являются ли изменения белка tau, которые развиваются при болезни Альцгеймера, причиной или следствием патологического процесса. Хотя причинная роль изменений белка tau при болезни Альцгеймера не установлена, некоторые другие нейродегенеративные заболевания вызываются мутациями по гену tau и также приводят к образованию фибриллярных агрегатов tau белка и к развитию болезни.

Специфичность первичной структуры белка. Особенности образования пептидной связи. Определяющая роль первичной структуры в формировании более высоких уровней организации белковой молекулы.

Первичная структура белка.

Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты.

Если в образовании пептидной связи участвует иминогруппа пролина или гидроксипролина, то она имеет другой вид.

При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой. Примерно так же проводят лабораторный синтез полипептидов.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи:

Копланарность - все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости;

Способность существовать в двух резонансных формах (кето- или енольной форме);

Транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи;

Способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными.

Исключение составляют пептидные группы с участием аминогруппы пролина или гидроксипролина. Они способны образовывать только одну водородную связь (см. выше). Это сказывается на формировании вторичной структуры белка. Полипептидная цепь на участке, где находится пролин или гидроксипролин, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью.

4.Вторичная структура белка . Связи, стабилизирующие вторичную структуру, α-спираль. Факторы, нарушающие спирализацию. β-складчатая структура, особенности конформационного строения.

Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, т.е. способ укладки полипептидной цепи в определенную конформацию.

Процесс этот протекает не беспорядочно, а в соответствии с первичной структурой белка.

Вторичная структура поддерживается в основном водородными связями, хотя для некоторых белков определенный вклад вносят пептидные и дисульфидные ковалентные связи.

Наиболее вероятным типом вторичной структуры глобулярных белков является -спираль. Закручивание полипептидной цепи в спираль происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации. Так, полипептидные цепи гемоглобина спирализованы на 75%, а молекула пепсина - на 30%.

Тип конфигурации полипептидных цепей, когда сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя структуру, подобную листу, сложенному в гармошку, называется -структурой. Такой тип вторичной структуры обнаружен в белках мышц, волос, шелка. -Слой может быть внутримолекулярным, а также образованным двумя или более полипептидными цепями.

Способность к образованию водородных связей, являющихся движущей силой при возникновении α- и β-структур в белковой молекуле, выражена у разных аминокислот в неодинаковой степени. Выделяют группу спиралеобразующих аминокислот: ала, глн, глу, лей, мет, лиз, гис. Вал, иле, тир, тре, фен способствуют образованию -структур полипептидной цепи. Наличие сер, гли, про, асн, асп приводит к преимущественному образованию неупорядоченных фрагментов в белковой молекуле.

В природе существуют белки, строение которых не соответствует ни

β-, ни -структуре (коллаген).

5.Третичная структура белка. Связи, стабилизирующие третичную структуру (ковалентные, ионные, гидрофобные, водородные, Ван-дер-Ваальса).

Третичная структура белка – пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Первый белок, Третичная структура белка (миоглобин кашалота) впервые была установлена методом рентгеноструктурного анализа (рис. 2).

В стабилизации пространственной структуры белков, помимо ковалентных связей, основная роль принадлежит нековалентным связям (межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи, электростатические взаимодействия ионизированных групп, гидрофобные взаимодействия и т.д.).

Методом рентгеноструктурного анализа установлено существование специфических уровней структурной организации белковой молекулы, промежуточных между вторичной и третичной структурами. Домен - это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи (рис. 3). Открыты белки (в частности, иммуноглобулины), в которых существуют различные по структуре и функциям домены.

Согласно современным представлениям, белка после окончания синтеза белка его третичная структура формируется самопроизвольно. Процесс формирования нативной пространственной структуры полипептидной цепи - фолдинг. Основной движущей силой фолдинга является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом гидрофобные радикалы аминокислот ориентируются внутрь белковой молекулы, а гидрофильные радикалы повернуты в сторону воды.

В клетках существуют белки, названные шаперонами. Их основная функция - участие в фолдинге (рис. 4). Описан ряд заболеваний человека, имеющих наследственную природу, возникновение которых связывают с нарушением процесса фолдинга вследствие мутаций (пигментозы, фиброзы и др.).

Все биологические свойства белков связаны с образованием и сохранностью третичной структуры, называемой нативной. Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: возможны обратимые перемещения фрагментов полипептидной цепи. Эти изменения не приводят к нарушению общей конформации молекулы. Факторы, влияющие на конформацию белковой молекулы - ионная сила раствора, рН среды, взаимодействие с компонентами раствора. Любые воздействия, приводящие к нарушению нативной структуры молекулы, приводят к частичной или полной утрате белком его биологических свойств.

6.Четвертичная структура белка. Понятие о мономерах и олигомерах. Зависимость свойств белка от его конформации. Взаимосвязь структуры и функции.

Четвертичная структура белка - укладка отдельных полипептидных цепей, обладающих специфической первичной, вторичной или третичной структурой, в пространстве, и формирование единого макромолекулярного образования.

Белок, состоящий из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером, а каждую входящую в него полипептидную цепь - протомером. Олигомерные белки, как правило, состоят из четного числа псубъединиц, например, молекула гемоглобина построена из двух - и двух -полипептидных цепей (рис. 5).

Четвертичную структуру имеют около 5% белков, такие как ферритин, иммуноглобулины. Субъединичное строение свойственно многим ферментам, в первую очередь тем, которые выполняют сложные функции. Почти все ДНК- и РНК-полимеразы имеют четвертичную структуру. Полипептидные цепи, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности. Только после завершения синтеза происходит их объединение в надмолекулярную структуру. Биологическую активность белок приобретает на уровне четвертичной структуры. Стабилизация четвертичной структуры происходит при участии тех же связей, что и при формировании третичной структуры, за исключением ковалентных связей.

Ряд исследователей признают наличие пятого уровня структурной организации белков. Полифункциональные макромолекулярные комплексы разных ферментов, катализирующие весь путь превращений субстрата, получили назвение метаболонов (пируватдегидрогеназный комплекс, синтетазы ВЖК, дыхательная цепь).

Белок, выполняющий специфическую функцию в метаболизме клетки, может быть представлен несколькими формами - изофункциональными белками, или изобелками. В эритроцитах крови человека обнаружено несколько форм гемоглобина: У взрослого человека преобладающей формой является НbА. Ч Для эмбриональной стадии развития человека характерен фетальный гемоглобин HbF. Все формы гемоглобинов выполняют функцию переноса кислорода из легких в ткани, однако свойства разных гемоглобинов отличаются.

Понятие нативный белок. Понятие об аллостерических белках.

Нативный белок - белок, обладающий определенной биологической активностью.

8.Основные функции простых и сложных белков в организме: структурная, каталитическая, рецепторная, регуляторная, транспортная, защитная, сократительная и другие.

Структурная функция. В комплексе с липидами белки участвуют в образовании биомембран клеток. Структурные белки цитоскелета придают форму клеткам и многим органоидам. Примерами структурных белков являются коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, коже, ногтях.

Сократительная (двигательная) функция. Сократительную функцию выполняют мышечные белки (актин и миозин). Белки цитоскелета необходимы для расхождения хромосом в процессе митоза.

Питательная (резервная) функция. Овальбумины(белки яйца) - источники питания для плода. Казеин - белок молока - также выполняет питательную функцию.

Каталитическая функция. Большинство известных в настоящее время ферментов (биологических катализаторов) является белками.

Транспортная функция. Белок эритроцитов гемоглобин участвует в переносе кислорода и углекислого газа, выполняя дыхательную функцию. Альбумины сыворотки крови участвуют в транспорте липидов.

Защитная функция. В ответ на поступление в организм вирусов, бактерий, чужеродных белков, токсинов образуются защитные белки - антитела (иммунная защита). Специфические белки плазмы крови способны к свертыванию, что предохраняет от кровопотери при кровотечениях (физическая защита).

Рецепторная функция. Клеточные белки образуют специфические рецепторы и участвуют в передаче гормонального сигнала.

Гормональная функция. Группа гормонов являются белками или полипептидами, например, гормон гипофиза вазопрессин.

Другие важные функции белков - буферные свойства (обеспечение физиологического значенияе рН внутренней среды), поддержаниеь онкотического давлениея в клетках и крови, и др.

В организме людей и животных содержание белка значительно выше, чем у растений. В мышцах, легких, селезенке, почках белками приходится более 70-80% сухой массы в печени - 57%, в мозге - 45%. Низкое содержание белка в кости и в зубах - 20 и 18%. Неодинаковое содержание белка и в разных субклеточных органеллах. Больше белка в гиалоплазме (внутриклеточный сок). Если принять общий белок клетки за 100%, то на гиалоплазму приходится 40%. Митохондрии и микросомы содержат по 20%, ядро - 12%, лизосомы - 2%, пероксисомы - 2,5%, плазматическая мембрана - 1,5% белка.

В состав некоторых белков входят фосфор (0,2-2%), железо и другие элементы. Наиболее постоянным для белков животного, растительного и микробного происхождения содержание азота - в среднем 16%, на этой основе по содержанию азота рассчитывают количество белка: массу азота, установленную анализом, умножают на коэффициент 6,25 (100:16 = 6,25) .

Размер белковых молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм

Гель-фильтрация, или метод молекулярных сит

Для разделения белков часто используют хроматографические методы, основанные на распределении веществ между двумя фазами, одна из которых подвижная, а другая неподвижная. В основу хроматографических методов положены разные принципы: гель-фильтрации, ионного обмена, адсорбции, биологического сродства.

Метод разделения белков с помощью гель-фильтрационной хроматографии основан на том, что вещества, отличающиеся молекулярной массой, по-разному распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Хроматографическая колонка заполняется гранулами пористого вещества (сефадекс, агароза и др.). В структуре полисахарида образуются поперечные связи и формируются гранулы с "порами", через которые легко проходят вода и низкомолекулярные вещества. В зависимости от условий можно формировать гранулы с разной величиной "пор".

Неподвижная фаза - жидкость внутри гранул, в которую способны проникать низкомолекулярные вещества и белки с небольшой молекулярной массой. Смесь белков, нанесённую на хроматографическую колонку, вымывают (элюируют), пропуская через колонку растворитель. Вместе с фронтом растворителя движутся и самые крупные молекулы.

Более мелкие молекулы диффундируют внутрь гранул сефадекса и на некоторое время попадают в неподвижную фазу, в результате чего их движение задерживается. Величина пор определяет размер молекул, способных проникать внутрь гранул (рис. 1-55).

Так как гелевая структура сефадекса легко деформируется под давлением, гели стали заменять более жёсткими матрицами (сефактил, той-оперл), представляющими сферические гранулы с разными размерами пор. Выбор размеров пор в гранулах зависит от целей хроматографии (о других хроматографических методах будет сказано ниже).

Сложность строения белковых молекул и чрезвычайное разнообразие их функций крайне затрудняют создание единой четкой их классификации на какой-либо одной основе. Белки можно классифицировать по их составу (простые, сложные), структуре (фибриллярные, глобулярные, промежуточные), функциям. Рассмотрим подробнее структурную классификацию.

Фибриллярные белки сильно вытянуты (наиболее важна вторичная структура) и выполняют структурные функции.

Глобулярные белки, которые в грубом приближении могут быть представлены в виде сфер (наиболее важной является третичная структура), принимают участие в таких специфических процессах, как катализ, транспорт, регуляция.

Кроме перечисленных выше типов белков, в организме имеются небольшие или бедные углеводородными группами полипептиды, которые могут сами по себе не иметь фиксированной структуры, но приобретать ее при взаимодействии с другими макромолекулами. Следует отметить, что данная классификация не может претендовать на полноту, так как существуют белки, которые не относятся ни к одному из этих классов. Например, миозин, который по своей структуре содержит признаки и фибриллярного и глобулярного белка.

Белок с исходной, природной укладкой цепи, т. е. имеющий трехмерную конфигурацию, называется нативным, белок с развернутой, беспорядочной укладкой цепи - денатурированньш. Превращение нативного белка в денатурированный, т. е. утрата белком его трехмерной конфигурации, называется денатурацией (рис. 3.15). Вызывать денатурацию могут разнообразные факторы. В частности, плотная укладка цепи белка обычно нарушается при нагревании. Тепловая денатурация - общее свойство белков. После денатурации биологически активный белок может самопроизвольно свернуться в исходную конформацию с восстановлением своей активности. Процесс сворачивания денатурированного белка называется ренатурацией.

Рис. 3.15. Денатурация белковой молекулы:

а - исходное состояние; б - начинающееся обратимое нарушение молекулярной структуры; в - необратимое развертывание полипептидной цепи

При длительном воздействии денатурирующего агента (температуры, химического вещества, среды с различным pH) денатурация становится необратимой (на рис. 3.15 этот процесс обозначен стрелкой между состояниями белковой молекулы б и в). Большинство белков денатурирует при нагревании их растворов выше 50-60 °С.

Денатурированный белок теряет способность растворяться в воде. Наиболее характерным признаком денатурации является резкое снижение или полная потеря белком его биологической активности (каталитической, антигенной или гормональной). Тот факт, что денатурированный белок полностью теряет свои биологические свойства, подтверждает тесную связь между структурой белковой молекулы и функцией, которую она выполняет в организме.

Способность белковой молекулы спонтанно ренатурироваться при снятии внешнего агрессивного воздействия говорит о том, что аминокислотная последовательность сама определяет пространственную структуру белка без участия какого-либо внешнего регулирующего центра.

В настоящее время денатурация и ренатурация глобулярных белков in vitro интенсивно исследуются, так как эти процессы связаны с проблемой самоорганизации белка, т. е. с вопросом о том, как белковая цепь «находит» свою уникальную структуру среди гигантского числа возможных альтернатив.

Фибриллярные белки составляют основу не растворимых в воде и прочных материалов, таких как рога, копыта, ногти, шерсть, волосы, перья, кожа, сухожилия, межклеточное вещество костной ткани. Волос - длинное достаточно прочное волокно, основой которого является белок - а-кератин. В основе сухожилий другой белок - коллаген. Эластичность и упругость стенкам артерий или легочных альвеол придает эластин. Общей особенностью этих белков является участие в формировании их пространственной структуры ковалентных непептидных связей.

Кератины волос и шерсти образуют промежуточные фила- менты, состоящие из длинных полипептидных цепей с крупными доменами, образованными а-спиралями и содержащими повторяющиеся последовательности из семи аминокислотных остатков (гептапептиды). Две направленные одинаково цепи кератина образуют суперспираль, в которой остатки неполярных аминокислот обращены внутрь и тем самым защищены от воздействия воды. Такая структура дополнительно стабилизируется многочисленными дисульфидными связями, образованными остатками цистеина соседних цепей. Суперспиральные димеры, в свою очередь, объединяются с образованием тетрамеров, подобных четырехжильному канату.

Коллаген образуется вне клеток из секретируемого ими белка - проколлагена, который превращается в коллаген в результате взаимодействия соответствующих ферментов. Молекула проколлагена представляет собой тройную суперспираль, образованную тремя скрученными вместе специализированными полипептидами. Далее при отщеплении концевых полипептидов образуется тропоколлаген, который упаковывается в коллагеновые волокна. Каждый из трех полипептидов в тропоколлагене находится в виде левосторонней спирали (в отличие от обычных правосторонних а-спиралей у белков). Примерно треть аминокислотных остатков в тропоколлагене представлена пролином, а каждый третий остаток - глицином.

В ходе образования коллагена многие остатки пролина и лизина в присутствии аскорбиновой кислоты гидроксилируются, превращаясь соответственно в гидроксипролин и гидроксилизин:

Эти остатки оказываются включенными в белок не в ходе его матричного синтеза, а в результате химического посттрансляционного превращения входящих в его состав аминокислот. Гидро- ксилирование пролина требует в качестве кофактора (небелкового компонента, необходимого для эффективной работы) аскорбиновую кислоту (витамин С), которая нужна для поддержания в восстановленном состоянии иона Fe 2+ в активном центре фермента прол ил-гидроксил азы. При недостатке витамина С нарушается образование соединительных тканей, что вызывает тяжелое заболевание - цингу.

Три спирально навитые друг на друга молекулы тропоколлаге- на ковалентно связаны между собой, образуя прочную структуру. Такая ассоциация невозможна в обычной белковой спирали, так как этому препятствуют объемные боковые цепи. В коллагене спирали более вытянуты (на один виток приходится 3 остатка, вместо 3,6), так как каждый третий аминокислотный остаток - глицин, поэтому спирали в этих точках максимально приближены друг к другу. Дополнительная стабилизация структуры осуществляется водородными связями гидроксилированных остатков лизина и пролина.

Молекулы тропоколлагена содержат около 1000 аминокислотных остатков. Они собираются в коллагеновые фибриллы, стыкуясь «голова к хвосту». Пустоты в этой структуре при необходимости могут служить местом первоначального отложения кристаллов гидроксиапатита Са 5 (0Н)(Р0 4)з, играющего важную роль в минерализации костей.

Коллаген сухожилий подвергается ферментативной модификации - в концевых частях тропоколлагеновых цепей ковалентно сшиваются остатки лизина. Таким образом, сухожилия представляют собой пучки параллельно ориентированных фибрилл. В отличие от сухожилий в коже коллагеновые фибриллы образуют подобие неупорядоченной двумерной сетки.

Эластин по своему строению отличается от коллагена и а- кератина. Он содержит обычные а-спирали, образующие поперечно-сшитую сеть, которая своей необычайно высокой эластичностью обязана уникальному способу связывания боковых цепей лизина:

четыре сближенных лизиновых остатка

формируют так называемую десмозиновую структуру, объединяющую в один узел четыре участка пептидных цепей (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Химическая структура десмозина

Глобулярные белки. Большинство белковых молекул в организме имеет глобулярное строение. Пептидная связь в глобулярных белках в естественном состоянии свернута в компактные структуры - глобулы, которые в первом грубом приближении могут быть представлены в виде шара или не слишком вытянутого эллипсоида, в отличие от фибриллярных белков, где длинные полипептидные цепи вытянуты вдоль одной оси.

Глобулы устойчивы в водных системах вследствие того, что полярные группы основной и боковых цепей сосредоточены на поверхности, находясь в контакте с водой, а неполярные обращены в глубь молекулы и защищены от этого контакта. На поверхности белковой глобулы иногда образуются ионные связи - солевые мостики.

Оказавшиеся внутри глобулы >N-H и >С=0-группы основной цепи с образовавшимися водородными связями формируют в результате а-спирали и (3-слои. Дестабилизирующим фактором пространственной упаковки является наличие в глубине глобулы каких-то групп, потенциально способных образовывать ионные и водородные связи, но реально лишенных партнеров.

При физиологических условиях состояние белка, имеющего нативную трехмерную структуру, термодинамически стабильно, т. е. соответствует минимуму свободной энергии. Информация, необходимая для сворачивания белка в нативную конформацию, заложена в его аминокислотной последовательности. Поэтому в принципе теоретически можно предсказать трехмерную структуру любого белка исходя из его аминокислотной последовательности. Однако предсказание третичной структуры остается нерешенной проблемой молекулярной биологии. Сворачивание молекулы белка из развернутого состояния должно осуществляться единственным путем. Если предположить, что белковая молекула состоит из 50 остатков, каждый из которых может принимать 10 разных конформаций, то общее число возможных конформаций составит 10 50 , и если характерное время молекулярных перестроек составляет 10“ 13 с, то для того, чтобы перепробовать все конформации, потребуется 10 37 с (~ Ю 30 лет). Следовательно, существует направленный путь сворачивания белка.

Стабильность свернутой молекулы белка в водном окружении крайне низка. Основной движущей силой сворачивания является энтропийный гидрофобный эффект, вследствие которого неполярные группы стремятся выйти из водного окружения и оказаться внутри глобулы. Существует и обратный эффект, препятствующий сворачиванию и обусловленный тем, что для свернутой молекулы белка число разрешенных конформаций основной и боковых цепей меньше, чем у развернутой.

Гемоглобин (НЪ) - белок, переносящий кислород от легких к тканям. НЬ локализован в красных кровяных клетках - эритроцитах.

Как уже отмечалось (см. рис. 3.14), гемоглобин состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых содержит гем (рис. 3.17). Функциональная взаимосвязь этих цепей такова, что присоединение О2 к одному из атомов железа повышает сродство к кислороду у трех других.

Гемоглобины - это целый класс белков, представители которого различаются одним-двумя аминокислотными остатками или их последовательностью. У взрослого человека гемоглобин типа НЬА. Кроме НЬА, существует эмбриональный гемоглобин HbF, исчезающий после рождения. Молекулярная масса обоих гемоглобинов приблизительно одинакова (64 500), они отличаются только последовательностью аминокислотных остатков. Наряду с обычно имеющимися гемоглобинами в организме человека встречаются аномальные HbS, HbG, НЬС, НЬН и т. д. Общность всех гемоглобинов - в способе укладки их полипептидных цепей вокруг большого плоского кольца гема , идентичного для всех, в центре которого находится атом железа (порфириновое кольцо).

Г ем состоит из атомов углерода, азота и водорода, образующих плоское кольцо, называемое порфирином (рис. 3.17). В центре кольца находится атом Fe, связанный с атомами кольца четырьмя координационными связями (из шести возможных). К гему примыкают два остатка гистидина (His). Имидозольная группа гистидина (F-8) связана координационной связью с атомом Fe через пятую координационную связь. Шестая связь служит для соединения с молекулой О2.

Рис. 3.17.

Миоглобин - мышечный белок, переносящий кислород в мышечных клетках. Он состоит из одной полипептидной цепи, содержит только а-спирали, соединенные петлями, и имеет один гем. Аминокислотная последовательность миоглобина отличается от последовательностей a-цепей гемоглобина. Однако третичная структура a-цепей гемоглобина и миоглобина идентична. Общий способ свертывания а-спиралей глобулярных белков называется глобиновым типом сворачивания.