Класи білків. Структурно-функціональна характеристика окремих представників

За складом білки поділяють на прості, які складаються лише з амінокислотнїних залишків, і складні, які містять, крім білка, компонент небілкової природи.

Серед простих білків виділяють групи, представники яких мають подібний склад, молекулярну масу, властивості і функцію: альбуміни, глобуліни, гістони, протаміни тощо.

Складні білки поділяють на групи залежно від природи їх небілкової частини:

глікопротеїни - багато білків сполучної тканини, крові, зовнішньої поверхні клітинних мембран;

ліпопротеїни – форма транспорту ліпідів в крові, інтегральні білки мембран,

нуклеопротеїни - хромосоми, рибосоми;

фосфопротеїни - поживний білок молока казеїн;

металопротеїни - містять безпосередньо атоми металу, а не металоорганічні комплекси типу гему. До них належать металоферменти, форми запасання і транспорту металу феритин (Fe), церулоплазмін (Cu), металотіонеїн (Zn, Cu, Cd));

хромопротеїни – містять забарвлену органічну групу (гем, рибофлавін).

Особливості хімічного складу і будови білків реалізуються у виконанні ними певних біологічних функцій. З’ясуємо цю залежність на прикладі окремих функцій білків.

Структурні білки. Колаген є у всіх багатоклітинних організмах, крім рослин. У людини на його долю припадає біля 5 % маси тіла і третина маси всіх білків організму. Це позаклітинний білок з унікальними властивостями. Його молекула витримує навантаження, вага якого в десятки тисяч разів більша від ваги білкової молекули. Тобто ці молекули міцніші, ніж сталевий дріт. Колаген бере участь у формуванні організму. Він визначає напрямок і швидкість росту клітинних елементів у організмі під час його росту і зберігає та підтримує набуту форму протягом життя.

Колаген має особливу структуру, яка не зустрічається в інших білках. В його поліпептидному ланцюгу майже кожний третій залишок - це гліцин. Також багато проліну і оксипроліну (останній не зустрічається більше ні в яких білках). В колагені також міститься лізин та його модифікація оксилізин:

оксипролін оксилізин

Первинну структуру цього білка можна записати так: - (-глі-Х-У-)_n -, де Х - найчастіше пролін, а У - оксипролін. Ланцюг колагену закручується в спіраль, на кожен виток якої припадає три амінокислотних залишки. Таку спіраль називають малою. Мала спіраль скручується у велику, на виток якої припадає 30 амінокислотних залишків. Три великі паралельні спіралі утворюють суперспіраль, в якій вони щільно упаковані одна відносно одної навколо спільної осі (рис 5.7.)

Паралельні ланцюги з’єднуються між собою водневими зв’язками і хімічно модифікованими залишками лізину. Кінці поліпептидних ланцюгів відрізняються складом від основної частини, вони не спіралізовані, тому молекула нагадує за формою гантель з витягнутою центральною частиною і кулястими кінцями.

Молекули укладаються в пучки із зміщеними ступінчасто головками ("голова до хвосту") вздовж фібрили (рис. 5.7.). Між молекулами також утворюються міцні поперечні зшивки. Завдяки цим зшивкам і скрученості спіралі фібрили колагену деформуються. Оксилізин, як складник колагену, може сполучатись із залишками вуглеводів (гексоз). За рахунок оксипроліну на поверхні колагену фіксуються молекули води, які утворюють тримірний каркас. Фібрили об’єднуються у волокна, які укладаються по-різному в різних тканинах і у різних організмів. При старінні організму кількість поперечних зшивок, а отже, і жорсткість структури колагену, зростає. Це погіршує якість сполучної тканини, наприклад, робить більш ламкими кістки, менш прозорою рогівку ока.

При кип’ятінні м’язової тканини (м’яса) частина пептидних зв’язків у колагені піддається гідролізу. При цьому утворюється суміш пептидів, що називається желатином. Тривалість приготування м’ясних страв визначається умовами руйнування волокон колагену.

При розгляді вторинної структури білків згадувались і інші структурні білки. В таблиці 5.4. узагальнені дані про їх структуру та властивості.

Таблиця 5.4. Структура та властивості фібрилярних білків

Білок	Особливості структури	Властивості
Колаген сполучної тканини	Міцні поперечні зшивки між поліпептидними ланцюгами, молекулами і фібрилами, утворені лізином і водневі зв’язки. Щільна скрученість ланцюгів	Висока міцність
Еластин сполучної тканини	Поперечні зшивки між двома - чотирма ланцюгами і спіральні ділянки, багаті гліцином, здатні до зворотнього розтягування	Еластичне розтягування у всіх напрямках
a-кератини волосся, пір’я, нігтів	a-спіраль з поперечними дисульфідними зв’язками	Залежно від кількості поперечних зшивок структури різної твердості і гнучкості, міцні і водонерозчинні
b-кератини (фіброїн шовку і павутиння)	Складчатий шар	М’які, гнучкі нитки

Скорочувальні білки. Вони формуються у фібрилярні структури, однак, основою їх будови є глобулярні молекули, розташовані вздовж нитчастої структури. Надходження енергії від енергопостачальних систем клітини приводить до зміни конформації молекул і зміни їх взаємного розташування, що проявляється у різноманітних рухах. Найкраще вивчені скорочувальні комплекси м’язових клітин. Вони складаються з білків двох типів - актину і міозину (рис. 5.8.). Актинові волокна побудовані так: глобулярні субодиниці (G-актин) укладаються поздовжньо у фібрилярну молекулу (F-актин). Дві такі молекули обвиваються одна навколо одної і утворюють тонкі нитки. G-актин містить досить багато проліну, 7 залишків цистеїну і рідкісну амінокислоту N-метиллізин. Субодиниці актину мають багато активних ділянок, які в стані розслаблення заблоковані спеціальними білками.

Молекули міозину мають дуже довгі "хвости", утворені двома поліпептидними ланцюгами, сплетеними між собою. Кінці цих ланцюгів сплітаються між собою і приєднують чотири невеликі глобулярні субодиниці, утворюючи “головку" молекули. В цій зоні розташована ділянка, яка здатна прикріпляти і розщеплювати молекулу АТФ для забезпечення енергією процесу скорочення. Відкриття цієї функції міозину, здійснене В. О. Енгельгардтом і М. М. Любімовою (1939 p.) було надзвичайно важливим для розуміння механізму м"язевого скорочення і енергетики біологічних процесів взагалі. Чисельні молекули міозину укладаються у товсті нитки, розташовуючись в них "хвіст" до "хвоста", причому їх "головки" утворюють вирости, спрямовані як вістря стріл в різні боки від центра нитки.

В м’язових фібрилах товсті і тонкі нитки укладені паралельно. В розслабленому стані вони не контактують між собою. Під дією рухового імпульсу в м’язовій клітині вивільнюються йони Са²⁺, які знаходились у зв’язаному стані. Активні ділянки актину у стані розслаблення блоковані певними білками. Йони Са²⁺, приєднуючись до цих білків, вивільняють активні ділянки актину. Йони Са²⁺ сприяють також розпаду АТФ і вивільненню продуктів розпаду в "головках" міозину. За рахунок енергії розпаду АТФ активовані ділянки актину і міозину з’єднуються. Контакт утворюється перпендикулярно до напряму фібрили, однак конформація білків в зоні контакту змінюється і утворений місток повертається на 45° з втягуванням актинової нитки між міозинові. При цьому посилюється спіральне скручування молекул і вкорочується фібрила. Далі до міозинової “головки” наближається нова активна ділянка актину. Таким чином, може утворитись новий контакт, тобто відбудеться дальше скорочення фібрили (рис. 5.9.). Після припинення імпульсу йони Са²⁺ знову зв’язуються в депо, на що також затрачається енергія АТФ. Зв’язки між актином і міозином у відсутність Са²⁺ порушуються і м’яз розслаблюється.

Транспортні білки утворюють комплекси з речовинами, які вони транспортують між тканинами або через мембрану. Ця функція та її регуляція найдосконаліше вивчена для дихальних білків - переносників кисню. Дихальні білки поширені починаючи від дріжджів і до вищих хребетних. В клубеньках бобових також знайдений дихальний білок. Всі вони зворотньо приєднують молекули кисню (зв’язують його при високому вмісті в.середовищі і віддають при пониженому). Дихальні білки містять йон заліза, рідше міді (молюски і більшість членистоногих), який бере участь у зв’язуванні кисню. Гемоглобіни і міоглобіни містять залізо (Fe²⁺) у складі небілкової частини – гему. Гем – це плоска система, яка складається з порфіринового кільця, утвореного чотирма пірольними гетероциклами, що містять замісники, та з’єднані між собою через метинові зшивки, і йону заліза:

Координаційні зв’язки заліза Гем

Йон заліза утворює чотири координаційні зв’язки з атомами азоту циклу і два зв’язки перпендикулярно площині циклу – один (Y) з білковою частиною (глобіном) через атом азоту радикалу гістидину і один (X) – з низькомолекулярним лігандом (в фізіологічних умовах це молекула кисню). Міоглобін складається з одного поліпептидного ланцюга і одного гему, а гемоглобін – з чотирьох субодиниць, попарно однакових (двох a- і двох b-), кожна з яких подібна за будовою до міоглобіну і зв’язана з гемом.

Відмінності у будові дихальних білків проявляються у молекулярній адаптації до їх специфічної ролі у газообміні.

Гемоглобін є білком еритроцитів. В легенях, де парціальний тиск кисню високий, гемоглобін циркулюючої крові зв’язує його. Молекула гемоглобіну (Hb) зв’язує максимально чотири молекули кисню. Процес відбувається поступово, причому перша молекула кисню приєднується повільно, а наступні - швидше:

Це пояснюється зміною конформації молекули завдяки кооперативній взаємодії субодиниць. Ці зміни розмірів молекули проявляються у зменшенні простору між субодиницями (див. рис. 5.6.). Тому гемоглобін називають “молекулярними легенями навпаки”, оскільки, як відомо, справжні легені при оксигенації розширюються. В капілярах тканин, де парціальний тиск кисню низький, оксигемоглобін дисоціює: Hb(O₂)₄ Û Hb + 4О₂. Цей процес відбувається також поетапно.

Частина кисню, попадаючи в клітини, зв’язується з міоглобіном, який має значно більшу спорідненість до кисню, ніж гемоглобін (рис. 5.10.). Він насичується киснем при нижчому його парціальному тиску, ніж гемоглобін, і важче його віддає. Така відмінність в спорідненості до кисню між цими білками сприяє транспорту кисню від гемоглобіну до міоглобіну. Міоглобін створює резерв кисню в м’язах. У людей, які займаються інтенсивною фізичною працею, та у тварин, які ведуть активний спосіб життя, або перебувають в умовах недостатнього забезпечення киснем, м’язи мають темно-червоний колір, зумовлений високим вмістом міоглобіну.

Важливе фізіологічне значення має залежність функції гемоглобіну від кислотності середовища. Гемоглобін, зв’язуючи кисень, посилює кислотні властивості: HbH⁺ + O₂ Û HbО₂ + Н⁺

В кислому середовищі спорідненість гемоглобіну до кисню зменшується (рівновага в реакції зміщується в бік дисоціації оксигемоглобіну), тому він його легше віддає. Саме таке середовище створюється в тканинах, які працюють інтенсивно.

Виділення СО₂ з клітин в кров підвищує її кислотність, а отже полегшує дисоціацію оксигемоглобіну.. Крім того, СО₂ безпосередньо зв’язуеться з N-кінцевими аміногрупами гемоглобіну, вивільнюючи при цьому протони:

N-кінець молекули карбамінокінцевий залишок

Гемоглобін досить легко сполучається з таким лігандом як чадний газ CO і віддає його в 3600 разів повільніше, ніж кисень. Тому при отруєнні чадним газом необхідно посилювати оксигенацію крові, внаслідок чого буде посилюватись конкуренція з боку кисню за зв’язування.

Захисні білки – антитіла відіграють важливу роль в захисті організму від чужерідних речовин і клітин. Антитіла - це імуноглобуліни, які виробляються клітинами імунної системи лімфоцитами і входять до складу сироватки крові та інших позаклітинних рідин, а також поверхні деяких клітин, наприклад, лімфоцитів. Організм виробляє антитіла на чужерідні білки, полісахариди, інші речовини, наприклад, нітрофенол, на ракові клітини, пилок рослин тощо. Антитіла проявляють високу специфічність до свого антигена.

Молекула імуноглобулІну вивчена досить детально. Її будову з’ясували в 1961 p. Дж. Едельман і P. Портер, за що в 1972 p. були нагороджені Нобелівською премією. Молекула кожного імуноглобуліну представляє собою тетрамер, утворений чотирма попарно ідентичними ланцюгами - двома важкими (Н) і двома легкими (L), з’єднаними між собою дисульфідними містками. В обох типах ланцюгів є ділянки двох типів: константні (С), які мають однакову послідовність у різних імуноглобулінів, і варіабельні (V), послідовність яких істотно відрізняється:

Варіабельні ділянки молекули визначають специфічність антитіл до певного антигену. У імуноглобулінів виражена доменна будова. Центри зв’язування антигену (А) (по два на молекулу антитіла) розташовані на ділянках V_H i V_L:

 

В зоні контакту переважають гідрофобні групи, тому вважають, що взаємодія має гідрофобний характер.

При взаємодії антитіл з антигенами утворюються дуже великі агрегати сітчастої будови, які руйнуються фагоцитами:

В нормі первинна дія імуноглобулінів повинна проявлятись вчасно, специфічно, адекватно за силою реакції і обмежено в часі. Однак, часто зустрічаються порушення мунної системи, які проявляються у гіперчутливості імунної реакції, або імунодефіцитності. Існують також захворювання, при яких імунна система організму починає працювати проти себе (аутоімунозахворювання). Порушення можуть виникати як наслідок дії радіоактивного опромінення, а також частого введення вакцин. На початку 80-х років було виявлено невиліковне на наш час захворювання - синдром набутого імунного дефіциту (СНІД). В 1984 р. з’ясували, що ця патологія викликається вірусом, який руйнує лімфоцити.

В наступному розділі ми розглянемо як реалізується ферментативна функція білків, а при вивченні обміну речовин охарактеризуємо їх енергетичну, регуляторну і рецепторну функції.

 

ФЕРМЕНТИ

В живих організмах переважна більшість реакцій відбувається за участю ферментів - біологічних каталізаторів білкової природи. Назва “ферменти” походить від латинського “fermentatio” - бродіння, кипіння. Інша, поширена в світовій літературі, назва ферментів – ензими – походить від грецького “en zyme” - в дріжджах. Обидва терміни свідчать про те, що властивість живих клітин прискорювати хімічні процеси здавна відома людям.

Виділити ферменти в чистому вигляді вдалося лише в XX столітті. В 1902 р. в лабораторії І. П. Павлова були одержані важливі докази білкової природи ферменту травлення пепсину. В 1926 р. Дж. Самнер виділив у кристалічному вигляді фермент уреазу, який каталізує розщеплення сечовини на аміак і вуглекислий газ, і довів, що це білок. Через чотири роки Дж. Нортроп виділив кристали пепсину. На наш час відомо більше 2000 ферментів і всі вони мають білкову структуру.