Білки

• приєднання різних функціональних груп (ацетил-, метил- і фосфатних груп);
• приєднання ліпідів і вуглеводнів;
• зміна стандартних амінокислот на нестандартні (наприклад, утворення цитруліну);
• утворення структурних змін (утворення дисульфідних містків між цистеїнами);
• видалення частини білка як на початку (сигнальна послідовність або метіонін, що кодується старт-кодоном), так і в окремих випадках в середині (інсулін);
• додавання невеликих білків, які впливають на деградацію білків (сумоїлювання і убіквітинювання).

При цьому тип модифікації  може бути як універсальним — додавання ланцюжків, що складаються з мономерів убіквітину, служить сигналом для деградації цього білка протеасомою — так і специфічним для даного білка^[19]. Водночас один і той же білок може піддаватися численним модифікаціям. Так, гістони, білки, що входять до складу хроматину еукаріотів та архей, за різних умов можуть зазнававти до 150 типів різних модифікацій^[20].

Згортання білків і підтримка їхньої структури

Зображення моделі комплексу  бактеріальних шаперонов GroES і GroEL. Агрегований  білок поступає в центральну порожнину комплексу, де в результаті гідролізу АТФ відбувається зміна його структури.

Здатність білків відновлювати правильну тривимірну структуру після денатурації дозволила висунути гіпотезу про те, що вся інформація про кінцеву структуру білка міститься в його амінокислотній послідовності. В наш час^[Коли?] загальновизнана теорія про те, що стабільна форма білка має мінімальну вільну енергію в порівнянні з іншими можливими формами цього поліпептиду^[21].

Проте, кінцева структура  буває дуже складною, а процес її прийняття новосинтезованим поліпептидним ланцюжком вимагає деякого часу. Процес прийняття білком цієї структури називається згортанням або фолдингом (від англ. folding). Невеликі однодоменні білки розміром до 100 амінокислот зазвичай згортаються за один крок, таке згортання займає кілька мілісекунд і зазвичай відбувається одночасно з трансляцією^[22][23]. З іншого боку, великі складні білки вимагають кілька хвилин або годин для фолдингу, перш за все через ізомеризацію проліну та формування помилкових дисульфідних містків. Такі білки повинні пройти через ряд проміжних кроків для завершення процесу^[24].

Багато білків не здатні завершити згортання самостійно і досягти нативного стану, часто через взаємодію з іншими білками клітини. Такі білки вимагають зовнішньої допомоги від білків спеціального класу — молекулярних шаперонів. Часто шаперони необхідні лише за певних умов, наприклад за умов теплового шоку, коли висока температура призводить до збільшення числа помилок згортання^[25].

Важливість нормальної роботи шаперонів для функціонування організму  може бути проілюстрована на прикладі шаперону α-кристаліну, що входить до складу кришталика ока людини. Мутації в цьому білку призводять до помутніння кришталика через агрегування білків і, як наслідок, до втрати кришталиком ока прозорості й до катаракти^[26].

Білки можуть зв'язуватися з іншими білками, іншими біомолекулами та невеликими субстратами. Коли білки зв'язуються з іншими копіями тієї ж самої молекули, вони утворюють олігомери, які у деяких випадках формують волокнину; цей процес часто відбувається в структурних білках, які складаються з кулястих мономерів, що є партнерами у взаємному зв'язуванні. Він дозволяє формувати міцні волокна. Білок-білкова взаємодія також регулює ферментативну діяльність, управляючи протіканням клітинного циклу, і надає клітині змогу утворювати великі білкові комплекси, які здійснюють багато складних реакцій, важливих для виконання основних біологічних функцій. Крім того, партнери зв'язування часто здатні індукувати конформаційні зміни в білках, що дозволяє утворення надзвичайно складних сигнальних мереж.

Дослідження білків

Хімічний синтез білків

Короткі білки можуть бути синтезовані хімічним шляхом за допомогою  методів, які використовують органічний синтез, — наприклад, хімічне лігування^[50]. Більшість методів хімічного синтезу проходять в напрямі від С-кінця до N-кінця, на відміну від біосинтезу. Таким чином можна отримати короткий імуногенний пептид (епітоп), необхідний для отримання антитіл шляхом ін'єкції в тварини, або отримання гібридо́м; хімічний синтез також використовується для отримання інгібіторів деяких ферментів^[51].

Хімічний синтез дозволяє вводити до сладу білків штучні амінокислоти, тобто такі, що не зустрічаються  у звичайних білках, — наприклад, приєднувати флюоресцентні мітки до бічних амінокислотних ланцюжків. Проте сучасні (2008 рік) хімічні методи синтезу неефективні при довжині білків, що перевищує 300 амінокислот; крім того, штучні білки можуть мати неправильну третинну структуру, а в амінокислот штучних білків відсутні посттрансляційні модифікації.

Дослідження функцій та механізмів роботи білків

Біохімічні методи

Для вивчення біохімічної активності ферментів використовуються численні біохімічні методи, що мають загальну назву випробувань ферментативної активності (англ. enzyme assays). Ці методи в більшості випадків проводяться in vitro і ставлять ціллю вимірювання зміни кількості переробленого субстрату білка або кількості створених продуктів реакції. Безперервні методи зазвичай залучають використання оптичних методів, таких як зміна оптичної щільності розчину або його флюоресценції, якщо відомі оптичні властивості субстратів або продуктів реакції, або вимірювання виделеного тепла при реакції. Якщо ці властивості важкі для вимірювання, часто застосовуються хроматографічні або радіографічні методи. Хроматографічні методи (наприклад, гелевий електрофорез, високоефективна рідинна хроматографія) використовуються для розділення продуктів реакції, після чого вони можуть бути візуалізовані за допомогою інших методів. Радіографічні методи залучають використання радіоактивних маркерів (зазвичай одного з атомів в субстраті, заміненого на його радіоактивний ізотоп), що легко візуалізовати за допомогою фотографічних методів, чутливих до радіонуклідів.

Перевагою методів in vitro зазвичай є можливість виділити один або кілька компонентів, що досліджуються, то вивчати їхню активність, спрощуючи систему за рахунок усунення інших компоненів, зазвичай присутніх у клітині, що можуть впливати на протікання реакції.

Оптичні методи

Дослідження білків in vivo часто вимагає визначення локалізації цих білків у межах клітини. Хоча білки синтезуються в цитоплазмі або на мембранах ендоплазматичного ретикулума (в еукаріотів), після цього багато білків направляються до специфіцних органел або клітинних структур, де вони виконують свою функцію, що не завжди можливо передбачити за допомогою аналізу структури білка. Таким чином, корисним методом дослідження ролі білків є аналіз локалізації цих білків у клітині. Для здійснення такого аналізу в живих клітинах використовуюься химерні білки, до яких додається «репортер», наприклад зелений флюоресцентний білок (англ. green fluorescent protein, GFP). Локалізація такого химерного білка може бути точно визначена за допомогою флюоресцентної мікроскопії, як показано на зображенні.

Часто барвники зв'язують з білками за допомогою біохімічних методів, таким чином що вони мітять специфічні білки в точно визначених місцях, та полегрують детекцію таких білків. За допомогою методу флюоресцентного резонансного переносу енергії (FRET) енергія збудження переноситься з одного барвника (або флюоресцентного білка) на інший, коли вони знаходяться в безпосередній близості один від одного^[53]. Таким чином можна визначати партнерів із білок-білкової взаємодії або досліджувати оптичними методами, в якій конформації знаходиться білок у даний час. За допомогою методу відновлення флюоресценції після фотознебарвлення (FRAP) барвник знебарвлюється в певній частині клітини, після чого флюоресценція може поступово відновлюватися, якщо до цього місця потрапляють нові флюоресцентні білки. Залежно від швидкості цього процесу можна визначити швидкість транспорту білка в клітині або визначити частини клітини, фізично відокремлені від інших.

Багато досліджень проводяться на рівні окремих білків. Так, метод флюоресцентної кореляційної спектроскопії (FCS), що вимірює кореляцію флюоресценції в часі від невеличкої (біля 0,2 мікрона) ділянки, дозволяє детекцію окремих молекул усередині клітини та визначення їхньої мобільності, яка залежить від розміру білка та його зв'язування з іншими білками та частинами клітини^[54]. На рівні окремих білків (зазвичай in vitro) може використовуватися і метод FRET, що дозволяє досліджувати рух частин білка при виконанні ним своєї функції.

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter Molecular Biology of the Cell 4th. — Garland, 2002. ISBN 0815332181. (англ.) (див. «Молекулярна біологія клітини»)
• David L. Nelson and Michael M. Cox Lehninger Principles of Biochemistry 4th. — W.H.Freeman & Co., 2004. ISBN 0716743396. (англ.) (див. також російський переклад першого видання Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 томах.. — Мир, 1985.)
• Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert. Biochemistry. — W. H. Freeman and Co., 2002. (англ.)
• Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функция белков.. — Наука, 2005. ISBN 5-211-04971-3. (рос.)
• Рубин А.Б. Биофизика, 1999. (рос.)
• Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка: Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами с решениями. 2-е. — Книжный дом «Университет», 2005. ISBN 5-98227-065-2. (рос.)