Как известно, белки - основа зарождения жизни на нашей планете. По именно коацерватная капля, состоящая из молекул пептидов, стала основой зарождения живого. Это и не вызывает сомнений, ведь анализ внутреннего состава любого представителя биомассы показывает, что эти вещества есть во всем: растениях, животных, микроорганизмах, грибах, вирусах. Причем они очень разнообразны и макромолекулярны по природе.

Названий у этих структур четыре, все они являются синонимами:

• белки;
• протеины;
• полипептиды;
• пептиды.

Белковые молекулы

Их количество поистине неисчислимо. При этом все белковые молекулы можно разделить на две большие группы:

• простые - состоят только из аминокислотных последовательностей, соединенных пептидными связями;
• сложные - строение и структура белка характеризуются дополнительными протолитическими (простетическими) группами, называемыми еще кофакторами.

При этом сложные молекулы также имеют свою классификацию.

Градация сложных пептидов

1. Гликопротеиды - тесно связанные соединения белка и углевода. В структуру молекулы вплетаются простетические группы мукополисахаридов.
2. Липопротеиды - комплексное соединение из белка и липида.
3. Металлопротеиды - в качестве простетической группы выступают ионы металлов (железо, марганец, медь и другие).
4. Нуклеопротеиды - связь белка и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК).
5. Фосфопротеиды - конформация протеина и остатка ортофосфорной кислоты.
6. Хромопротеиды - очень схожи с металлопротеидами, однако элемент, входящий в состав простетической группы, представляет собой целый окрашенный комплекс (красный - гемоглобин, зеленый - хлорофилл и так далее).

У каждой рассмотренной группы строение и свойства белков различны. Функции, которые они выполняют, также варьируются в зависимости от типа молекулы.

Химическое строение белков

С данной точки зрения протеины - это длинная, массивная цепь аминокислотных остатков, соединяющихся между собой специфическими связями, называемыми пептидными. От боковых структур кислот отходят ответвления - радикалы. Такое строение молекулы было открыто Э. Фишером в начале XXI века.

Позже более подробно были изучены белки, строение и функции белков. Стало ясно, что аминокислот, образующих структуру пептида, всего 20, но они способны комбинироваться самым разным способом. Отсюда и разнообразие полипептидных структур. Кроме того, в процессе жизнедеятельности и выполнения своих функций белки способны претерпевать ряд химических превращений. В результате они меняют структуру, и появляется уже совсем новый тип соединения.

Чтобы разорвать пептидную связь, то есть нарушить белок, строение цепей, нужно подобрать очень жесткие условия (действие высоких температур, кислот или щелочей, катализатора). Это объясняется высокой прочностью в молекуле, а именно в пептидной группе.

Обнаружение белковой структуры в условиях лаборатории проводится при помощи биуретовой реакции - воздействия на полипептид свежеосажденным (II). Комплекс пептидной группы и иона меди дает ярко-фиолетовую окраску.

Существует четыре основные структурные организации, каждая из которых имеет свои особенности строения белков.

Уровни организации: первичная структура

Как уже упоминалось выше, пептид - это последовательность аминокислотных остатков с включениями, коферментами или же без них. Так вот первичной называют такую структуру молекулы, которая является природной, естественной, представляет собой истинно аминокислоты, соединенные пептидными связями, и больше ничего. То есть полипептид линейного строения. При этом особенности строения белков такого плана - в том, что такое сочетание кислот является определяющим для выполнения функций белковой молекулы. Благодаря наличию данных особенностей возможно не только идентифицировать пептид, но и предсказать свойства и роль совершенно нового, еще не открытого. Примеры пептидов, обладающих природным первичным строением, - инсулин, пепсин, химотрипсин и другие.

Вторичная конформация

Строение и свойства белков этой категории несколько меняются. Такая структура может сформироваться изначально от природы либо при воздействии на первичную жестким гидролизом, температурой или иными условиями.

Данная конформация имеет три разновидности:

1. Ровные, правильные, стереорегулярные витки, построенные из остатков аминокислот, которые закручиваются вокруг основной оси соединения. Удерживаются вместе только возникающими между кислородом одной пептидной группировки и водородом другой. Причем строение считается правильным из-за того, что витки равномерно повторяются через каждые 4 звена. Такая структура может быть как левозакрученной, так и правозакрученной. Но в большинстве известных белков преобладает правовращающий изомер. Такие конформации принято называть альфа-структурами.
2. Состав и строение белков следующего типа отличается от предыдущего тем, что водородные связи образуются не между рядом стоящими по одной стороне молекулы остатками, а между значительно удаленными, причем на достаточно большое расстояние. По этой причине вся структура принимает вид нескольких волнообразных, извитых змейкой полипептидных цепочек. Есть одна особенность, которую должен проявлять белок. Строение аминокислот на ответвлениях должно быть максимально коротким, как у глицина или аланина, например. Этот тип вторичной конформации носит название бета-листов за способность будто слипаться при образовании общей структуры.
3. Относящееся к третьему типу строение белка биология обозначает как сложные, разноразбросанные, неупорядоченные фрагменты, не обладающие стереорегулярностью и способные изменять структуру под воздействием внешних условий.

Примеров белков, имеющих вторичную структуру от природы, не выявлено.

Третичное образование

Это достаточно сложная конформация, имеющая название "глобула". Что собой представляет такой белок? Строение его основывается на вторичной структуре, однако добавляются новые типы взаимодействий между атомами группировок, и вся молекула словно сворачивается, ориентируясь, таким образом, на то, чтобы гидрофильные группировки были направлены внутрь глобулы, а гидрофобные - наружу.

Этим объясняется заряд белковой молекулы в коллоидных растворах воды. Какие же типы взаимодействий здесь присутствуют?

1. Водородные связи - остаются без изменений между теми же самыми частями, что и во вторичной структуре.
2. взаимодействия - возникают при растворении полипептида в воде.
3. Ионные притяжения - образуются между разнозаряженными группами аминокислотных остатков (радикалов).
4. Ковалентные взаимодействия - способны формироваться между конкретными кислотными участками - молекулами цистеина, вернее, их хвостами.

Таким образом, состав и строение белков, обладающих третичной структурой, можно описать как свернутые в глобулы полипептидные цепи, удерживающие и стабилизирующие свою конформацию за счет разных типов химических взаимодействий. Примеры таких пептидов: фосфоглицераткеназа, тРНК, альфа-кератин, фиброин шелка и другие.

Четвертичная структура

Это одна из самых сложных глобул, которую образуют белки. Строение и функции белков подобного плана очень многогранны и специфичны.

Что собой представляет такая конформация? Это несколько (в некоторых случаях десятки) крупных и мелких полипептидных цепей, которые формируются независимо друг от друга. Но затем за счет тех же взаимодействий, что мы рассматривали для третичной структуры, все эти пептиды скручиваются и переплетаются между собой. Таким образом получаются сложные конформационные глобулы, которые могут содержать и атомы металлов, и липидные группировки, и углеводные. Примеры таких белков: ДНК-полимераза, белковая оболочка табачного вируса, гемоглобин и другие.

Все рассмотренные нами структуры пептидов имеют свои методы идентификации в лабораторных условиях, основанные на современных возможностях использования хроматографии, центрифугирования, электронной и оптической микроскопии и высоких компьютерных технологиях.

Выполняемые функции

Строение и функции белков тесно коррелируют друг с другом. То есть каждый пептид играет определенную роль, уникальную и специфическую. Встречаются и такие, которые способны выполнять в одной живой клетке сразу несколько значительных операций. Однако можно в обобщенном виде выразить основные функции белковых молекул в организмах живых существ:

1. Обеспечение движения. Одноклеточные организмы, либо органеллы, или некоторые виды клеток способны к передвижениям, сокращениям, перемещениям. Это обеспечивается белками, входящими в состав структуры их двигательного аппарата: ресничек, жгутиков, цитоплазматической мембраны. Если же говорить о неспособных к перемещениям клетках, то белки могут способствовать их сокращению (миозин мышц).
2. Питательная или резервная функция. Представляет собой накопление белковых молекул в яйцеклетках, зародышах и семенах растений для дальнейшего восполнения недостающих питательных веществ. При расщеплении пептиды дают аминокислоты и биологически активные вещества, которые необходимы для нормального развития живых организмов.
3. Энергетическая функция. Помимо углеводов, силы организму могут давать и белки. При распаде 1 г пептида высвобождается 17,6 кДж полезной энергии в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая расходуется на процессы жизнедеятельности.
4. Сигнальная и Заключается в осуществлении тщательного контроля за происходящими процессами и передачи сигналов от клеток к тканям, от них к органам, от последних к системам и так далее. Типичным примером может служить инсулин, который строго фиксирует количество глюкозы в крови.
5. Рецепторная функция. Осуществляется путем изменения конформации пептида с одной стороны мембраны и вовлечения в реструктуризацию другого конца. При этом и происходит передача сигнала и необходимой информации. Чаще всего такие белки встраиваются в цитоплазматические мембраны клеток и осуществляют строгий контроль над всеми веществами, проходящими через нее. Также оповещают о химических и физических изменениях окружающей среды.
6. Транспортная функция пептидов. Ее осуществляют белки-каналы и белки-переносчики. Роль их очевидна - транспортировка необходимых молекул к местам с низкой концентрацией из частей с высокой. Типичным примером служит перенос кислорода и диоксида углерода по органам и тканям белком гемоглобином. Ими же осуществляется доставка соединений с невысокой молекулярной массой через мембрану клетки внутрь.
7. Структурная функция. Одна из важнейших из тех, которые выполняет белок. Строение всех клеток, их органелл обеспечивается именно пептидами. Они подобно каркасу задают форму и структуру. Кроме того, они же ее поддерживают и видоизменяют в случае необходимости. Поэтому для роста и развития всем живым организмам необходимы белки в рационе питания. К таким пептидам можно отнести эластин, тубулин, коллаген, актин, кератин и другие.
8. Каталитическая функция. Ее выполняют ферменты. Многочисленные и разнообразные, они ускоряют все химические и биохимические реакции в организме. Без их участия обычное яблоко в желудке смогло бы перевариться только за два дня, с большой вероятностью загнив при этом. Под действием каталазы, пероксидазы и других ферментов этот процесс происходит за два часа. В целом именно благодаря такой роли белков осуществляется анаболизм и катаболизм, то есть пластический и

Защитная роль

Существует несколько типов угроз, от которых белки призваны оберегать организм.

Во-первых, травмирующих реагентов, газов, молекул, веществ различного спектра действия. Пептиды способны вступать с ними в химическое взаимодействие, переводя в безобидную форму или же просто нейтрализуя.

Во-вторых, физическая угроза со стороны ран - если белок фибриноген вовремя не трансформируется в фибрин на месте травмы, то кровь не свернется, а значит, закупорка не произойдет. Затем, наоборот, понадобится пептид плазмин, способный сгусток рассосать и восстановить проходимость сосуда.

В-третьих, угроза иммунитету. Строение и значение белков, формирующих иммунную защиту, крайне важны. Антитела, иммуноглобулины, интерфероны - все это важные и значимые элементы лимфатической и иммунной системы человека. Любая чужеродная частица, вредоносная молекула, отмершая часть клетки или целая структура подвергается немедленному исследованию со стороны пептидного соединения. Именно поэтому человек может самостоятельно, без помощи лекарственных средств, ежедневно защищать себя от инфекций и несложных вирусов.

Физические свойства

Строение белка клетки весьма специфично и зависит от выполняемой функции. А вот физические свойства всех пептидов схожи и сводятся к следующим характеристикам.

1. Вес молекулы - до 1000000 Дальтон.
2. В водном растворе формируют коллоидные системы. Там структура приобретает заряд, способный варьироваться в зависимости от кислотности среды.
3. При воздействии жестких условий (облучение, кислота или щелочь, температура и так далее) способны переходить на другие уровни конформаций, то есть денатурировать. Данный процесс в 90% случаев необратим. Однако существует и обратный сдвиг - ренатурация.

Это основные свойства физической характеристики пептидов.

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.

Cтраница 1

Белковая молекула может состоять из одной или неск. Молекулы, содержащие менее 50 остатков, часто относят к пептидам.  

Белковые молекулы огромны и очень сложны. Их молекулярный вес колеблется в пределах от 10 000 до нескольких миллионов.  

Белковые молекулы различаются между собой в большой степени как по характеру, так и по числу аминокислотных остатков.  

Белковая молекула образована из большого количества различных сс-аминокислот. Это в большой степени предопределяет химические свойства самих белков и в первую очередь их амфотерность.  

Белковая молекула представляет собой полимер, состоящий из ковалентно связанных остатков аминокислот. Некоторые участки могут быть связаны ковалентной дисуль - - фидной связью (- S-S -), которая образуется при окислении SH-групп двух остатков цистеина.  

Белковые молекулы могут быть шарообразными, глобулярными, а также удлиненными, нитевидными, фибриллярными. Чаще всего форма молекулы белка асимметричная, вытянутая. На рис. 4 показаны в соотношении Формы и размеры некоторых молекул белка.  

Белковые молекулы в растворе имеют определенный заряд, который обусловлен наличием функциональных групп радикалов аминокислотных остатков, способных к электролитической диссоциации.  

Белковые молекулы, имеющие определенное пространственное расположение (третичную структуру), называются глобулами.  

Белковая молекула очень лабильна, легко денатурирует, в результате чего изменяются ее биологические и физико-химические свойства. Под действием ферментов, а также кислот белки расщепляются, образуя ряд промежуточных продуктов дезагрегации (протеозы, пептоны, пептиды) и конечные продукты гидролиза - аминокислоты.  

Белковая молекула может состоять из одной или нескольких полипептидных цепей, содержащих от 2 - 3 десятков до нескольких сотен аминокислотных остатков каждая.  

Белковые молекулы различаются не только числом остатков различных аминокислот, но также последовательностью остатков в полипептидной цепи и тем, как она изогнута. Число возможных белковых структур исключительно велико.  

Белковые молекулы являются самыми крупными, самыми сложными и разнообразными из всех молекул, входящих в состав клеток живых организмов. Основная задача биофизики белков состоит в установлении связи между строением белков и их биологическими функциями.  

Белковые молекулы иногда объединяются в более сложные структуры. Например, а-спиральные белковые молекулы часто скручиваются попарно во вторичные спирали. Глобулярные белковые молекулы могут сами образовывать спиральные структуры.  

Белковые молекулы, хотя их размеры и очень большие относительно других молекул, все же недостаточно тяжелы, чтобы осесть в растворе под действием собственного веса, да и в обычной центрифуге их не осадить.  

Белковые молекулы содержат обычно от сотни до нескольких сот остатков аминокислот, среди которых много одинаковых. Нетрудно представить себе, что число возможных сочетаний из 20 аминокислотных остатков, при столь большом количестве их в одной молекуле, чрезвычайно велико. Однако число различных реально существующих белков значительно меньше числа теоретически возможных сочетаний, поскольку далеко не любые первичные структуры соответствуют реальным молекулам, обладающим свойствами, необходимыми для живого организма. Тем не менее число встречающихся в природе различных белков очень велико.  

Чтобы представить, какое значение имеют белки, достаточно вспомнить широко известную фразу Фридриха Энгельса: «Жизнь - есть способ существования белковых тел». На самом деле на Земле эти вещества наряду с нуклеиновыми кислотами обуславливают все проявления живой материи. В данной работе мы выясним, из чего состоит белок, изучим, какую функцию он выполняет, а также определим особенности строения различных видов.

Пептиды - высокоорганизованные полимеры

Действительно, в живой клетке как растительной, так и животной, белки количественно преобладают над другими органическими веществами, а также выполняют наибольшее количество разнообразных функций. Они участвуют во множестве различных очень важных клеточных процессов, таких как движение, защита, сигнальная функция и так далее. Например, в мышечной ткани животных и человека пептиды составляют до 85 % от массы сухого вещества, а в костной и дерме - от 15-50 %.

Все клеточные и тканевые белки состоят из видов). Их количество в живых организмах всегда равно двадцати видам. Различные комбинации мономеров пептидов образуют разнообразие белков в природе. Оно исчисляется астрономическим числом 2х10 18 возможных видов. В биохимии полипептиды называют высокомолекулярными биологическими полимерами - макромолекулами.

Аминокислоты - мономеры протеинов

Все 20 видов этих химических соединений являются структурными единицами белков и имеют общую формулу NH 2 -R-COOH. Они являются амфотерными органическими веществами, способными проявлять как основные, так и кислотные свойства. Не только простые белки, но и сложные, содержат так называемые заменимые аминокислоты. А вот незаменимых мономеров, например, таких как, валин, лизин, метионин можно встретить только в некоторых протеины именуют полноценными.

Поэтому, характеризуя полимер учитывают не только из скольких аминокислот состоит белок, но и какие именно мономеры соединяются пептидными связями в макромолекулу. Добавим еще, что заменимые аминокислоты, такие как аспарагин, глютаминовая кислота, цистеин могут самостоятельно синтезироваться в клетках человека и животных. Незаменимые образуются в клетках бактерий, растений и грибов. Они поступают в гетеротрофные организмы только с пищей.

Как образуется полипептид

Как известно, 20 различных аминокислот могут соединяться во множество всевозможных белковых молекул. Как же происходит связывание мономеров между собой? Оказывается, что карбоксильные и аминные группы рядом лежащих аминокислот взаимодействуют между собой. Образуются так называемые пептидные связи, а молекулы воды выделяются как побочный продукт реакции поликонденсации. Образовавшиеся молекулы белков состоят из остатков аминокислот и многократно повторяющихся пептидных связей. Поэтому их еще называют полипептидами.

Часто протеины могут содержать не одну, а сразу несколько полипептидных цепей и состоять из многих тысяч аминокислотных остатков. Более того, простые белки, а также протеиды способны усложнять свою пространственную конфигурацию. При этом создается не только первичная, но и вторичная, третичная и даже четвертичная структура. Рассмотрим этот процесс более детально. Продолжая изучать вопрос: из чего состоит белок, выясним какую же конфигурацию имеет эта макромолекула. Выше мы установили, что полипептидная цепь содержит множество ковалентных химических связей. Именно такая структура называется первичной.

В ней важную роль играет количественный и качественный состав аминокислот, а также последовательности их соединения. Вторичная структура возникает в момент образования спирали. Она стабилизируется многими вновь возникающими водородными связями.

Высшие уровни организации белков

Третичная структура появляется в результате упаковывания спирали в виде шара - глобулы, например, ткани миоглобин имеет именно такую пространственную структуру. Она поддерживается, как вновь образующимися водородными связями, так и дисульфидными мостиками (если в молекулу белка входит несколько остатков цистеина). Четвертичная форма - это результат объединения в единую структуру сразу нескольких белковых глобул посредством новых видов взаимодействий, например, гидрофобных или электростатических. Наряду с пептидами в четвертичную структуру входят и небелковые части. Ими могут быть ионы магния, железа, меди или же остатки ортофосфатной или нуклеиновых кислот, а также липиды.

Особенности биосинтеза протеинов

Ранее нами было выяснено из чего состоит белок. Он построен из последовательности аминокислот. Их сборка в полипептидную цепь происходит в рибосомах - немембранных органеллах растительных и животных клеток. В самом процессе биосинтеза также принимают участие молекулы информационной и Первые являются матрицей для сборки белка, а вторые транспортируют различные аминокислоты. В процессе клеточного биосинтеза возникает дилемма, а именно, белок состоит из нуклеотидов или аминокислот? Ответ однозначный - полипептиды как простые, так и сложные состоят из амфотерных органических соединений - аминокислот. В жизненном цикле клетки существуют периоды её деятельности, когда синтез белков происходит особенно активно. Это так называемые стадии J1 и J2 интерфазы. В это время клетка активно растет и нуждается в большом количестве строительного материала, которым и является белок. Кроме того, в результате митоза, заканчивающегося образованием двух дочерних клеток, каждая из них нуждается в большом количестве органических веществ, поэтому на каналах гладкой эндоплазматической сети идет активный синтез липидов и углеводов, а на гранулярной ЭПС происходит биосинтез белков.

Функции белков

Зная из чего состоит белок, можно объяснить как огромное разнообразие их видов, так и уникальные свойства, присущие эти веществам. Белки выполняют в клетке самые разнообразные функции, например, строительную, так как входят в состав мембран всех клеток и органоидов: митохондрий, хлоропластов, лизосом, комплекса Гольджи и так далее. Такие пептиды, как гамоглобулины или антитела - это примеры простых белков, выполняющих защитную функцию. Иными словами, клеточный иммунитет - это результат действия данных веществ. Сложный белок - гемоцианин, наряду с гемоглобином, выполняет у животных транспортную функцию, то есть переносит кислород в крови. Сигнальные белки, входящие в состав клеточных мембран, обеспечивают информирование самой клетки о веществах, пытающихся попасть в её цитоплазму. Пептид альбумин отвечает за основные показатели крови, например, за её способность к свертыванию. Белок куриных яиц овальбумин запасется в клетке и служит основным источником питательных веществ.

Белки - основа цитосклета клетки

Одна из важных функций пептидов - опорная. Она очень важна для сохранения формы и объема живых клеток. Так называемые подмембранные структуры - микротрубочки и микронити переплетаясь образуют внутренний скелет клетки. Белки, входящие в их состав, например, тубулин, способны легко сжиматься и растягиваться. Это помогает клетке сохранить свою форму при различных механических деформациях.

В растительных клетках, наряду с белками гиалоплазмы, опорную функцию выполняют также тяжи цитоплазмы - плазмодесмы. Проходя через поры в клеточной стенке, они обуславливают взаимосвязь между рядом лежащими клеточными структурами, образующими растительную ткань.

Ферменты - вещества белковой природы

Одно из важнейших свойств протеинов - их влияние на скорость протекания химических реакций. Основные белки способны к частичной денатурации - процессу раскручивания макромолекулы в третичной или четвертичной структуре. Сама же полипептидная цепь при этом не разрушается. Частичная денатурация лежит в основе как сигнальной, так и Последнее свойство представляет собой способность ферментов влиять на скорость протекания биохимических реакций в ядре и цитоплазме клетки. Пептиды, которые, наоборот, снижают скорость химических процессов принято называть не ферментами, а ингибиторами. Например, простой белок каталаза является ферментом, который ускоряет процесс расщепления токсического вещества пероксида водорода. Оно образуется как конечный продукт многих химических реакций. Каталаза ускоряет его утилизацию до нейтральных веществ: воды и кислорода.

Свойства белков

Пептиды классифицируют по многим признакам. Например, по отношению к воде их можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. Температура также по-разному влияет на структуру и свойства белковых молекул. К примеру, белок кератин - компонент ногтей и волос может выдерживать как низкую, так и высокую температуру, то есть является термолабильным. А вот белок овальбумин, уже упоминающийся ранее, при нагревании до 80-100 °С полностью разрушается. Это значит, что его первичная структура расщепляется на остатки аминокислот. Такой процесс называется деструкцией. Какие бы условия мы не создавали, в нативную форму белок возвратится уже не может. Двигательные белки - актин и милозин присутствуют в мышечных волокнах. Их поочередное сокращение и расслабление лежит в основе работы мышечной ткани.

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.