Строение и структура белка

б) сложноэфирный  мостик (между карбоксильной группой  и гидроксильной группой)

в) солевой  мостик (между карбоксильной группой  и аминогруппой)

г) водородные связи.

В соответствии с формой белковой молекулы, обусловленной  третичной структурой, выделяют следующие  группы белков:

1) Глобулярные белки. Пространственная структура этих белков в грубом приближении может быть представлена в виде шара или не слишком вытянутого эллипсоида - глобулы. Как правило, значительная часть полипептидной цепи таких белков формирует  -спирали и  -складки. Соотношение между ними может быть самым различным. Например, у миоглобина имеется 5  -спиральных сегментов и нет ни одной  -складки. У иммуноглобулинов, наоборот, основными элементами вторичной структуры являются  -складки, а  -спирали вообще отсутствуют. В вышеприведенной структуре фосфоглицераткиназы и те и другие типы структур представлены примерно одинаково. В некоторых случаях, как это видно на примере фосфоглицераткиназы, отчетливо просматриваются две или более четко разделенные в пространстве (но тем не менее, конечно, связанные пептидными мостиками) части - домены. Зачастую различные функциональные зоны белка разнесены по разным доменам.

2) Фибриллярные белки. Эти белки имеют вытянутую нитевидную форму, они выполняют в организме структурную функцию. В первичной структуре они имеют повторяющиеся участки и формируют достаточно однотипную для всей полипептидной цепи вторичную структуру. Так, белок  -креатин (основной белковый компонент ногтей, волос, кожи) построен из протяженных  -спиралей. Фиброин шелка состоит из периодически повторяющихся фрагментов Gly - Ala - Gly - Ser , образующими  -складки. Существуют менее распространенные элементы вторичной структуры, пример - полипептидные цепи коллагена, образующие левые спирали с параметрами, резко отличающимися от параметров  -спиралей.

В коллагеновых волокнах три спиральные полипептидные  цепи скручены в единую правую суперспираль:

 

4.4.Четвертичная  структура белка

 

В большинстве  случаев для функционирования белков необходимо, чтобы несколько полимерных цепей были объединены в единый комплекс. Такой комплекс также рассматривается  как белок, состоящий из нескольких субъединиц. Субъединичная структура  часто фигурирует в научной литературе как четвертичная структура.

Белки, состоящие  из нескольких субъединиц, широко распространены в природе. Классический пример - четвертичная структура гемоглобина. Субъединицы  принято обозначать греческими буквами. У гемоглобина имеется по две   и   субъединицы. Наличие нескольких субъединиц важно в функциональном отношении - это увеличивает степень насыщения кислородом. Четвертичную структуру гемоглобина обозначают как  2 2. 
Субъединичное строение свойственно многим ферментам, в первую очередь тем, которые выполняют сложные функции. Работа многих белков подвержена т.н. аллостерической регуляции - специальные соединения (эффекторы) "выключают" или "включают" работу активного центра фермента. Такие ферменты имеют специальные участки опознавания эффектора. И даже существуют специальные регуляторные субъединицы, в состав которых в том числе входят указанные участки. Классический пример - ферменты протеинкиназы, катализирующие перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ на белки-субстраты.

 

5. Денатурация белков

Сравнительно  слабые связи, ответственные за стабилизацию вторичной, третичной и четвертичной структур белка, легко разрушаются, что сопровождается потерей его  биологической активности. Разрушение исходной (нативной) структуры белка, называемое денатурацией, происходит в присутствии кислот и оснований, при нагревании, изменении ионной силы и других воздействиях. Как правило, денатурированные белки плохо или совсем не растворяются в воде. При непродолжительном действии и быстром устранении денатурирующих факторов возможна  ренатурация белка с полным или частичным восстановлением исходной структуры и биологических свойств.

 

6. Биологическая  роль белка

Каталитическая (ферментативная) функция

      Многочисленные биохимические реакции  в живых  организмах  протекают   в мягких условиях при температурах, близких к 40С, и значениях  рН  близких  к нейтральным.  В этих  условиях  скорости  протекания  большинства   реакций ничтожно  малы,  поэтому для их   приемлемого   осуществления   необходимы специальные биологические катализаторы  — ферменты.  Даже  такая простая реакция, как дегидратация угольной кислоты:

  CO2 + H2O →     HCO3-+ H+

катализируется   ферментом   карбоангидразой.   Вообще   все   реакции,   за исключением реакции фотолиза воды 2H2O →      4H+ + 4e- + O2,  в  живых  организмах катализируются  ферментами  (реакции  синтеза,  осуществляются  при   помощи ферментов  синтетаз, реакции гидролиза — при помощи  гидролаз,  окисление — при помощи оксидаз, восстановление с присоединением — при помощи  гидрогеназ и т.д.). Как правило, ферменты — это либо белки,  либо  комплексы белков  с каким-либо  кофактором  — ионом металла   или   специальной   органической молекулой. Ферменты обладают высокой,  иногда  уникальной,  избирательностью действия. Например, ферменты, катализирующие присоединение  (-аминокислот  к соответствующим   т-РНК   в   процессе   биосинтеза   белка,    катализируют присоединение  только  L-аминокислот  и  не  катализируют  присоединение  D- аминокислот.

 Транспортная  функция белков

      Внутрь клетки должны поступать  многочисленные вещества, обеспечивающие  ее строительным материалом и  энергией.  В  то  же  время   все  биологические мембраны  построены по единому принципу  — двойной  слой  липидов,  в  который погружены  различные   белки,  причем   гидрофильные   участки   макромолекул сосредоточены  на поверхности мембран,  а   гидрофобные  “хвосты”  —   в  толще мембраны. Данная структура  непроницаема для таких  важных  компонентов,  как сахара,  аминокислоты,  ионы  щелочных  металлов.  Их  проникновение  внутрь клетки   осуществляется   с   помощью   специальных   транспортных   белков, вмонтированных в мембрану  клеток. Например, у бактерий  имеется   специальный белок, обеспечивающий перенос через наружную  мембрану  молочного  сахара  — лактозы. Лактоза по международной  номенклатуре  обозначается  (-галаткозид, поэтому транспортный белок называют (-галактозидпермеазой.

      Важным примером транспорта веществ  через биологические мембраны против градиента  концентрации  является  К/ Na насос.  В ходе   его   работы происходит перенос трех положительных ионов Na+  из  клетки  на  каждые  два положительных иона  K+  в  клетку.  Эта  работа  сопровождается  накоплением электрической  разности   потенциалов   на   мембране   клетки.   При   этом расщепляется  АТФ,  давая  энергию.  Молекулярная  основа   натрий калиевого насоса была открыта недавно, это оказался фермент, расщепляющий АТФ — калий-натрийзависимая АТФ-аза.

      У многоклеточных организмов  существует система транспорта  веществ  от одних органов к другим. В первую  очередь  это  гемоглобин.  Кроме  того,  в плазме  крови  постоянно  находится  транспортный   белок   —   сывороточный альбумин. Этот белок обладает уникальной способностью  образовывать  прочный комплексы с жирными кислотами,  образующимися  при переваривании жиров,  с некоторыми гидрофобными аминокислотами  со стероидными  гормонами,  а  также со многими лекарственными препаратами, такими, как аспирин,  сульфаниламиды, некоторые пенициллины.

 Рецепторная  функция

      Большое значение, в особенности   для  функционирования  многоклеточных организмов, имеют белки-рецепторы, вмонтированные в плазматическую  мембрану клеток и  служащие  для  восприятия  и  преобразования  различных  сигналов, поступающих в клетку, как от окружающей среды, так и от  других  клеток.  В качестве  наиболее  исследованных  можно  привести  рецепторы  ацетилхолина, находящиеся на мембране клеток в ряде межнейронных контактов, в том числе  в коре головного мозга, и у нервно-мышечных соединений. Эти  белки  специфично взаимодействуют с ацетилхолином CH3C(O) –  OCH2CH2N+(CH3)3   и  отвечает  на это передачей  сигнала  внутрь  клетки.  После  получения  и  преобразования сигнала нейромедиатор должен  быть  удален,  чтобы  клетка  подготовилась  к восприятию следующего  сигнала.  Для  этого  служит  специальный  фермент  — ацетилхолинэстераза,  катализирующая  гидролиз  ацетилхолина  до  ацетата и холина.

      Многие гормоны не проникают  внутрь клеток-мишеней,  а  связываются  со специфическими рецепторами на  поверхности  этих  клеток.  Такое  связывание является сигналом, запускающим в клетке физиологические процессы.

 Защитная  функция

      Иммунная  система  обладает   способностью   отвечать   на   появление чужеродных  частиц  выработкой   огромного   числа   лимфоцитов,   способных специфически повреждать именно эти частицы, которыми могут  быть  чужеродные клетки,  например  патогенные  бактерии,  раковые  клетки,   надмолекулярные частицы, такие как вирусы, макромолекулы, включая чужеродные белки. Одна  из групп лимфоцитов — В-лимфоциты,  вырабатывает  особые  белки,  выделяемые  в кровеносную систему, которые узнают чужеродные  частицы,  образуя  при  этом высокоспецифичный комплекс на этой стадии уничтожения. Эти белки  называются иммуноглобулины. Чужеродные вещества,  вызывающие  иммунный  ответ  называют антигенами, а соответствующие к ним иммуноглобулины — антителами. Антитела построены из четырех  полипептидных  цепей,  связанных  между собой дисульфидными мостиками.

 Структурная функции

      Наряду  с  белками,   выполняющими   тонкие   высокоспециализированные функции, существуют белки, имеющие  в  основном  структурное  значение.  Они обеспечивают  механическую  прочность   и   другие   механические   свойства отдельных тканей живых организмов. В первую очередь это коллаген —  основной белковый компонент внеклеточного матрикса соединительной ткани.

      В эластичных тканях — коже,  стенках  кровеносных  сосудов,  легких  - помимо коллагена внеклеточный  матрикс  содержит  белок  эластин,  способный довольно  в  широких  пределах  растягиваться  и возвращаться  в   исходное состояние.

      Еще  один  пример  структурного  белка  — фиброин шелка,  выделяемый гусеницами шелкопряда в период формирования куколки  и  являющийся  основным компонентом шелковых нитей.

 Двигательные  белки

      Мышечное сокращение является  процессом,  в ходе  которого  происходит превращение  химической   энергии,   запасенной   в   виде   макроэргических пирофосфатных   связей   в   молекулах   АТФ,   в    механическую    работу. Непосредственными участниками  процесса  сокращения  являются  два  белка  — актин и миозин.

 Антибиотики

      Большую и чрезвычайно важную  в практическом отношении группу природных органических  соединений  составляют  антибиотики  —   вещества   микробного происхождения, выделяемые специальными видами микроорганизмов и подавляющие рост  других,   конкурирующих   микроорганизмов.   Открытие   и   применение антибиотиков  произвело  в  40-ые  гг.  революцию  в  лечении   инфекционных заболеваний, вызываемых  бактериями.  Следует  отметить,  что на  вирусы  в большинстве случаев антибиотики не действуют и применение  их  в качестве противовирусных препаратов неэффективно.

 

 Токсины

      Ряд  живых  организмов  в   качестве  защиты  от  потенциальных  врагов вырабатывают сильно ядовитые вещества —  токсины.  Многие  из  них  являются белками,  однако,  встречаются  среди  них   и   сложные   низкомолекулярные органические молекулы. В качестве примера  такого  вещества  можно  привести ядовитое начало бледной поганки — (-аманитин.