Класс белков	Примеры	Локализация, функция
Структурные белки	Коллаген	Компонент соединительной ткани, костей, сухожилий, хряща.
	Склеротин	Наружный скелет насекомых
	α - Кератин	Кожа, перья, ногти, волосы, рога.
	Эластин	Эластичная соединительная ткань (связки)
	Мукопротеины	Синовиальная жидкость, слизистые секреты
	Белки оболочки вирусов	«Обёртка» нуклеиновой кислоты вируса.
Ферменты	Трипсин	Катализирует гидролиз белков
Рибулозобисфосфаткарбоксилаза	Катализирует карбоксилирование (присоединение СО 2) рибулозобисфосфата при фотосинтезе
Глутаминсинтетаза	Катализирует образование аминокислоты глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака
Гормоны	Инсулин Глюкагон АКТГ	Регулируют обмен глюкозы Стимулируют рост и активность коры надпочечников
Транспортные белки	Гемоглобин	Переносит О 2 в крови позвоночных
Гемоцианин	Переносит О 2 в крови некоторых беспозвоночных
Миоглобин	Переносит О 2 в мышцах
Сывороточный альбумин	Служит для транспорта жирных кислот, липидов и т.п.
Защитные белки	Антитела	Образует комплексы с инородными белками
	Фибриноген	Предшественник фибрина при свёртываемости крови
	Тромбин	Участвует в процессе свёртывания крови
Сократительные белки	Миозин	Подвижные нити миофибрилл саркрмера
Актин	Неподвижные нити миофибрилл саркрмера
Запасные белки	Яичный альбумин	Белок яйца
Казеин	Белок молока
Токсины	Змеиный яд	Ферменты
Дифтерийный токсин	Токсин, вырабатываемый дифтерийной палочкой

Классификация белков по структуре

- Фибриллярные – наиболее важна вторичная структура (третичная почти или совсем не выражена), нерастворимы в воде, отличаются большой механической прочностью. Длинные параллельные полипептидные цепи, скрепленные друг с другом поперечными сшивками, образуют длинные волокна или слоистые структуры. Выполняют в клетках и в организме структурные функции, например, входят в состав соединительной ткани. К этой группе относится коллаген (сухожилия, межклеточное вещество костной ткани), миозин (саркомеры мышц), фиброин (шёлк, паутина), кератин (волосы, рога, ногти, перья).

- Глобулярные – наиболее важна третичная структура. Полипептидные цепи свёрнуты в компактные глобулы. Растворимы. Легко образуют коллоидные суспензии. Выполняют функцию ферментов, антител (глобулины сыворотки крови определяют иммунологическую активность) и в некоторых случаях гормонов (например, инсулин). Играют важную роль в протоплазме, удерживая в ней воду и некоторые другие вещества, способствуют поддержанию молекулярной организации.

- Промежуточные – фибриллярной природы, но растворимые. Примером может служить фибриноген, превращающийся в нерастворимый фибрин при свёртывании крови.

Функции белков:

1. Ферментативная

2.Белки-гормоны

3.Регуляторная

4. Защитная

5. Транспортная

6. Структурные белки

7. Сократительные белки

8. Рецепторные белки

9. Белки-токсины

10. Белки - ингибиторы ферментов

11. Белки внутренних оболочек.

Нуклеиновые кислоты

-нерегулярные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Впервые нуклеиновые кислоты были выделены в 1869 году шведцарским биохимиком Фридрихом Мишером из клеток гноя. Известно 2 типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота и рибонуклеиновая кислота или ДНК и РНК. Нуклеотиды, являющиеся мономерами нуклеиновых кислот имеют не простое строение.

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания, пятиуглеродный сахар и остаток фосфорной кислоты.

В составе нуклеиновых кислот может быть 2 типа пентоз: в составе ДНК - дезоксирибоза, в составе РНК - рибоза. Нуклеиновые кислоты получили название по названию входящей в них пентозы.

Азотистые основания в составе нуклеиновых кислот называются аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил, они представлены на рисунке ниже.

Нуклеотиды – это мономеры нуклеиновых кислот. Кроме названных нуклеотидов в нуклеиновых кислотах в небольших количествах встречаются ещё более 20-ти "минорных" нуклеотидов - их азотистые основания являются производными 5-ти основных.

Образование нуклеотидов происходит в 2 этапа. 1) Пентоза, соединяясь с азотистым основанием в ходе реакции конденсации образует нуклеозид.

2) К нуклеозиду входе ещё одной реакции конденсации присоединяется остаток фосфорной кислоты с образованием фосфорно-эфирной связи.

3) Друг с другом нуклеотиды соединяются брагодаря реакции конденсации, при этом образуется фосфорнодиэфирная связь между 3" гидрооксилом одного гидрооксидного остатка и 5" гидрооксилом другого. Образовавшаяся при этом связь называется фосфорнодиэфирная. Фосфорнодиэфирные связи в полинуклеотидной цепи ковалентные, прочные, стабильные.

Сахара вместе с азотистым основанием называются нуклеозидами (аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин). Если к ним присоединены 1-, 2-, или 3-фосфорных остатка, то вся эта структура называется соответственно, нуклеотизид монофосфатом, дифосфатом или трифосфатом или нуклеотидом (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Вот так модель АТФ выглядит в пространстве.

Полинуклеотидная цепь имеет 2 конца: 3" конец, где 3" - ни с чем не связан (гидрооксил пентозы); 5" - гидрооксил пентозы связан только с фосфатом. Принято 5" концевой нуклеотид считать началом цепи, а 3" - её концом. В организме распад полипептидных цепей проипсходит под действием ферментов нуклеаз .

Азотистое основание, входящее в состав ДНК делится на две группы – пиримидиновую и пуриновую. В состав ДНК входит аденин, тимин, цитозин и гуанин, в РНК вместо тимина урацил. Как известно, ДНК – это большой архив, в котором хранится информация, а РНК – это молекула, которая переносит информацию из ядра в цитоплазму для синтеза белков. С различием в функциях связаны различия в строении. РНК более химически активно из-за того, что ее сахар - рибоза – имеет в своем составе гидроксильную группу, а в дезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертно, что важно для ее функции хранения информации, чтобы она не вступала ни в какие реакции.

В начале 50-х годов американский биохимик Эдвин Чаргафф изучал нуклеотидный состав ДНК, результаты своих экспериментов он обобщил в виде правил (правила Чаргаффа)

Установлено, что диаметрн молекулы ДНК равен 2 нанометра, на 1 полный виток спирали приходится в каждой цепи 10 нуклеотидов, межнуклеотидное расстояние вдоль оси спирали составляет 0,34 нанометра.

Полная расшифровка структуры ДНК была произведена в 1953 году американским биохимиком Джеймсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком. Работая вместе в Кембридском университете они использовали все известные на тот момент данные:

Модель ДНК по Уотсону и Крику:

Долгое время считалось, что существует только такая форма ДНК, которая была описана Уотсоном и Криком, но в настоящее время известно, что ДНК может образовывать более 10 различных форм, способных к взаимопереходу и которые отличаются друг от друга по целому ряду параметров. Например: по числу пар нуклеотидных остатков в витке (шаг спирали). Например:

А - форма - шаг спирали 10 пар оснований;

В - форма - шаг спирали 10 пар оснований.

С - форма - 9,3 пар оснований

Z - форма - 12 пар оснований.

Все формы, кроме Z - правозакрученные; Z - форма левозакрученная. Количественно в клетках значительно преобладает В - форма.

Молекулы ДНК - эукариот и многих вирусов существуют в линейных формах, ДНК - бактериальных клеток, хлоропластов, митохондрий, некоторых вирусов имеет кольцевую форму. ДНК некоторых вирусов - одноцепочечная.

ДНК эукариот связана с белками и образует основное вещество ядра - хромитин.

Свойства ДНК

Вещество белого цвета, волокнистого строения, плохо растворимое в воде, растворяется в крепких солевых растворах. Растворы ДНК высоко вязкие, обладают двойным лучепреломлением. Молекулы оптически и электрически активны. Прочно связывают многовалентные ионы металлов, вступают в реакцию алкинирования и дезаминирования азотистых оснований.

Белковыми веществами называются высокомолекулярные органические соединения, молекулы которых состоят из остатков 20 различных α-аминокислот. Белки играют огромную роль в деятельности живых организмов, в том числе и человека. Наиболее важными функциями белков являются:

- структурная функция (соединительные ткани, мышцы, волосы и т.д.); каталитическая функция (белки входят в состав ферментов);

- транспортная функция (перенос кислорода гемоглобином крови); защитная функция (антитела, фибриноген крови),

- сократительная функция (миозин мышечной ткани); гормональная (гормоны человека);

- резервная (ферритин селезенки). Резервная или питательная функция белков заключается в том, что белки используются организмом человека для синтеза белков и биологически активных соединений на основе белка, которые регулируют процессы обмена в организме человека.

Белки состоят из остатков α - аминокислот соединенных пептидной связью (- СО – NН -), которая образуется за счет карбоксильной группы первой аминокислоты и α - аминогруппы второй аминокислоты.

Существует несколько видов классификации белков.

Классификация по строению пептидной цепочки : различают спиралевидную форму в виде α - спирали и складчатую структуру в виде β - спирали.

Классификация по ориентации белковой молекулы в пространстве :

1.Первичная структура представляет собой соединение аминокислот в простейшую линейную цепь за счет только пептидных связей.

2.Вторичная структура представляет собой пространственное расположение полипептидой цепи в виде ά - спирали или β - складчатой структуры. Структура удерживается за счет возникновения водородных связей между соседними пептидными связями.

3.Третичная структура представляет собой специфическое укладывание ά - спирали в виде глобул. Структура удерживается за счет возникновения связей между боковыми радикалами аминокислот.

4.Четвертичная структура представляет собой соединение нескольких глобул, находящихся в состоянии третичной структуры, в одну укрупненную структуру, обладающую новыми свойствами, не характерными для отдельных глобул. Глобулы удерживаются за счет возникновения водородных связей.

Поддержание характерной пространственной третичной структуры белковой молекулы осуществляется за счет взаимодействия боковых радикалов аминокислот между собой с образованием связей: водородных, дисульфидных, электростатических, гидрофобных. Конфигурации перечисленных связей приведены на рисунке 2.1.

Классификация по степени растворимости белка .

- Водорастворимые белки имеют небольшую молекулярную массу, их представляют альбумины яйца.

- Солерастворимые белки растворяются в 10 % растворе хлорида натрия, их представляют глобулины : белок молока казеин, белок крови глобулин.

- Щелочерастворимые белки растворяются в 0,2 % растворе гидроксила натрия, их представляют глютелины : белок клейковины пшеницы.

- Спирторастворимые белки растворяются в 60-80 % спирте, их представляютпроламины : белки злаковых культур.

Классификация по строению белка .

Белки по строению белковой молекулы разделяются на простые или протеины и сложные или протеиды. В состав простых белков входят только аминокислоты, в состав сложных белков входят аминокислоты (апобелок) и вещества небелковой природы (простетическая группа), которая включает: фосфорную кислоту, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д.

Протеиды подразделяются на подгруппы в зависимости от состава небелковой части.

Существуют несколько подходов к классификации белков: по форме белковой молекулы, по составу белка, по функциям. Рассмотрим их.

Классификация по форме белковых молекул

По форме белковых молекул различают фибриллярные белки и глобулярные белки.

Фибриллярные белки представляют собой длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси и скреплены друг с другом поперечными сшивками (рис. 18,б). Эти белки отличаются высокой механической прочностью, нерастворимы в воде. Они выполняют главным образом структурные функции: входят в состав сухожилий и связок (коллаген, эластин), образуют волокна шелка и паутины (фиброин), волосы, ногти, перья (кератин).

В глобулярных белках одна или несколько полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру – клубок (рис. 18,а). Эти белки, как правило, хорошо растворимы в воде. Их функции многообразны. Благодаря им осуществляются многие биологические процессы, о чем подробнее будет изложено ниже.

Рис. 18. Форма белковых молекул:

а – глобулярный белок, б – фибриллярный белок

Классификация по составу белковой молекулы

Белки по составу можно разделить на две группы: простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислотных остатков и не содержат других химических составляющих. Сложные белки, помимо полипептидных цепей, содержат другие химические компоненты.

К простым белкам относятся РНКаза и многие другие ферменты. Фибриллярные белки коллаген, кератин, эластин по своему составу являются простыми. Запасные белки растений, содержащиеся в семенах злаков, – глютелины , и гистоны – белки, формирующие структуру хроматина, принадлежат также к простым белкам.

Среди сложных белков различают металлопротеины, хромопротеины, фосфопротеины, гликопротеины, липопротеины и др. Рассмотрим эти группы белков подробнее.

Металлопротеины

К металлопротеинам относят белки, в составе которых имеются ионы металлов. В их молекулах встречаются такие металлы, как медь, железо, цинк, молибден, марганец и др. Некоторые ферменты по своей природе являются металлопротеинами.

Хромопротеины

В составе хромопротеинов в качестве простетической группы присутствуют окрашенные соединения. Типичными хромопротеинами являются зрительный белок родопсин, принимающий участие в процессе восприятие света, и белок крови гемоглобин (Hb), четвертичная структура которого рассмотрена в предыдущем параграфе. В состав гемоглобина входит гем , представляющий собой плоскую молекулу, в центре которой расположен ион Fe 2+ (рис. 19). При взаимодействии гемоглобина с кислородом образуется оксигемоглобин . В альвеолах легких гемоглобин насыщается кислородом. В тканях, где содержание кислорода незначительно, оксигемоглобин распадается с выделением кислорода, который используется клетками:

.

Гемоглобин может образовывать соединение с оксидом углерода (II), которое называется карбоксигемоглобином :

.

Карбоксигемоглобин не способен присоединять кислород. Вот почему происходит отравление угарным газом.

Гемоглобин и другие гем-содержащие белки (миоглобин, цитохромы) называют еще гемопротеинами из-за наличия в их составе гема (рис. 19).

Рис. 19. Гем

Фосфопротеины

Фосфопротеины в своем составе содержат остатки фосфорной кислоты, связанные с гидроксильной группой аминокислотных остатков сложноэфирной связью (рис. 20).

Рис. 20. Фосфопротеин

К фосфопротеинам относится белок молока казеин. В его состав входят не только остатки фосфорной кислоты, но и ионы кальция. Фосфор и кальций необходимы растущему организму в больших количествах, в частности, для формирования скелета. Кроме казеина, в клетках много и других фосфопротеинов. Фосфопротеины могут подвергаться дефосфорилированию, т.е. терять фосфатную группу:

фосфопротеин + Н 2 протеин + Н 3 РО 4

Дефосфорилированные белки могут при определенных условиях быть снова фосфорилированы. От наличия фосфатной группы в их молекуле зависит их биологическая активность. Одни белки проявляют свою биологическую функцию в фосфорилированном виде, другие – в дефосфорилированном. Посредством фосфорилирования – дефосфорилирования регулируются многие биологические процессы.

Липопротеины

К липопротеинам относятся белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Эти белки встречаются в составе клеточных мембран. Липидный (гидрофобный) компонент удерживает белок в мембране (рис. 21).

Рис. 21. Липопротеины в клеточной мембране

К липопротеинам относят также белки крови, участвующие в транспорте липидов и не образующие с ними ковалентную связь.

Гликопротеины

Гликопротеины содержат в качестве простетической группы ковалентно связанный углеводный компонент. Гликопротеины разделяют на истинные гликопротеины и протеогликаны . Углеводные группировки истинных гликопротеинов содержат обычно до 15 – 20 моносахаридных компонентов, у протеогликанов они построены из очень большого числа моносахаридных остатков (рис. 22).

Рис. 22. Гликопротеины

Гликопротеины широко распространены в природе. Они встречаются в секретах (слюне и т.д.), в составе клеточных мембран, клеточных стенок, межклеточного вещества, соединительной ткани и т.д. Многие ферменты и транспортные белки являются гликопротеинами.

Классификация по функциям

По выполняемым функциям белки можно разделить на структурные, питательные и запасные белки, сократительные, транспортные, каталитические, защитные, рецепторные, регуляторные и др.

Структурные белки

К структурным белкам относятся коллаген, эластин, кератин, фиброин. Белки принимают участие в формировании клеточных мембран, в частности, могут образовывать в них каналы или выполнять другие функции (рис. 23).

Рис. 23. Клеточная мембрана.

Питательные и запасные белки

Питательным белком является казеин, основная функция которого заключается в обеспечении растущего организма аминокислотами, фосфором и кальцием. К запасным белкам относятся яичный белок, белки семян растений. Эти белки потребляются во время развития зародышей. В организме человека и животных белки в запас не откладываются, они должны систематически поступать с пищей, в противном случае может развиться дистрофия.

Сократительные белки

Сократительные белки обеспечивают работу мышц, движение жгутиков и ресничек у простейших, изменение формы клеток, перемещение органелл внутри клетки. Такими белками являются миозин и актин. Эти белки присутствуют не только в мышечных клетках, их можно обнаружить в клетках практически любой ткани животных.

Транспортные белки

Гемоглобин, рассмотренный в начале параграфа, является классическим примером транспортного белка. В крови присутствуют и другие белки, обеспечивающие транспорт липидов, гормонов и иных веществ. В клеточных мембранах находятся белки, способные переносить через мембрану глюкозу, аминокислоты, ионы и некоторые другие вещества. На рис. 24 схематически показана работа переносчика глюкозы.

Рис. 24. Транспорт глюкозы через клеточную мембрану

Белки-ферменты

Каталитические белки, или ферменты, представляют собой самую многообразную группу белков. Почти все химические реакции, протекающие в организме, протекают при участии ферментов. К настоящему времени открыто несколько тысяч ферментов. Более подробно они будут рассмотрены в следующих параграфах.

Защитные белки

К этой группе относятся белки, защищающие организм от вторжения других организмов или предохраняющие его от повреждений. Иммуноглобулины, или антитела, способны распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы или чужеродные белки, связываться с ними и способствовать их обезвреживанию.

Другие компоненты крови, тромбин и фибриноген, играют важную роль в процессе свертывания крови. Они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудов. Под действием тромбина от молекул фибриногена отщепляются фрагменты полипептидной цепи, в результате этого образуется фибрин :

фибриноген фибрин.

Образовавшиеся молекулы фибрина агрегируют, формируя длинные нерастворимые цепи. Сгусток крови вначале является рыхлым, затем он стабилизируется за счет межцепочечных сшивок. Всего в процессе свертывания крови участвует около 20 белков. Нарушения в структуре их генов является причиной такого заболевания, как гемофилия – сниженная свертываемость крови.

Рецепторные белки

Клеточная мембрана является препятствием для многих молекул, в том числе и для молекул, предназначенных для передачи сигнала внутрь клеток. Тем не менее клетка способна получать сигналы извне благодаря наличию на ее поверхности специальных рецепторов, многие из которых являются белками. Сигнальная молекула, например, гормон, взаимодействуя с рецептором, образует гормон-рецепторный комплекс, сигнал от которого передается далее, как правило, на белковый посредник. Последний запускает серию химических реакций, результатом которых является биологический ответ клетки на воздействие внешнего сигнала (рис. 25).

Рис.25. Передача внешних сигналов в клетку

Регуляторные белки

Белки, участвующие в управлении биологическими процессами, относят к регуляторным белкам. К ним принадлежат некоторые гормоны . Инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови. Гормон роста, определяющий размеры тела, и паратиреоидный гормон, регулирующий обмен фосфатов и ионов кальция, являются регуляторными белками. К этому классу белков принадлежат и другие протеины, участвующие в регуляции обмена веществ.

Интересно знать! В плазме некоторых антарктических рыб содержатся белки со свойствами антифриза, предохраняющие рыб от замерзания, а у ряда насекомых в местах прикрепления крыльев находится белок резилин, обладающий почти идеальной эластичностью. В одном из африканских растений синтезируется белок монеллин с очень сладким вкусом.

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.

Простые – содержат в составе только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны, протамины). Подробно эти белки характеризуются ниже.

Сложные – кроме аминокислот имеются небелковые компоненты (нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины). Подробно эти белки характеризуются ниже.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТЫХ БЕЛКОВ

Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин). Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в „чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам, т.к. связи с небелковой группой слабые.

А ЛЬБУМИНЫ

Группа белков плазмы крови с молекулярной массой около 40 кДа, имеют кислые свойства и отрицательный заряд при физиологических рН, т.к. содержат много глутаминовой кислоты. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются в крови переносчиком многих веществ, в первую очередь билирубина и жирных кислот.

Г ЛОБУЛИНЫ

Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабокислые или нейтральные. Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в „осадочных" пробах (тимоловая, Вельтмана). Часто содержат углеводные компоненты.

При обычном электрофорезе разделяются, как минимум, на 4 фракции – α 1 , α 2 , β и γ .

Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочисленны. Часть α -глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови от преждевременного разрушения, например, α 1 -антитрипсин , α 1 -антихимотрипсин, α 2 -макроглобулин . Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносчик ионов железа), церулоплазмин (содержит ионы меди), гаптогло-

бин (переносчик гемоглобина), гемопексин (переносчик тема). γ -Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.

Г ИСТОНЫ

Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1 , другие гистоны Н2а , H2b , НЗ , Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).

Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.

Можно выделить две функции гистонов:

1. Регулируют активность генома, а

именно препятствуют транскрипции.

2. Структурная – стабилизируют

пространственную структуру

ДНК.

Гистоны образуют нуклеосомы

– октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Нуклеосомы соединяются между собой через гистон H1. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить

ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и "суперсуперспираль". Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом.

П РОТАМИНЫ

Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, у ряда организмов (рыбы) они являются заменителями гистонов, есть в спермиях. Отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Протамины присутствуют в клетках, не способных к делению. Их функция как у гистонов – структурная.

К ОЛЛАГЕН

Фибриллярный белок с уникальной структурой. Обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (галактоза-глюкоза) остатки, соединенные с ОН-группами некоторых остатков гидроксилизина. Составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.

Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и состоит из повторяющегося триплета [Гли-А-В], где А и В – любые, кроме глицина, аминокислоты. В основном это аланин, его доля составляет 11%, доля пролина и гидроксипролина – 21%. Таким образом, на другие аминокислоты приходится всего 33%. Структура пролина и гидроксипролина не позволяет образовать α -спиральную структуру, из-за этого образуется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка.

Молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε -аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.

В коже фибриллы образуют нерегулярно сплетенную и очень густую сеть – выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген.

Э ЛАСТИН

По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидроксипролина. Отсутствие пролина обуславливает наличие спиральных эластичных участков.

Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина , который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.

α -Аминогруппы и α -карбоксильные группы десмозина включаются в образование пептидных связей одного или нескольких белков.