Строение белка
Среди органических веществ белки, или протеины – самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. На их долю приходится 50 – 80% сухой массы клетки.
Молекулы белков имеют большие размеры. Поэтому их называют макромолекулами.
Кроме углерода, водорода, кислорода и азота, в состав белков могут входить сера, фосфор и железо. Белки друг от друга отличаются числом (от 100 до нескольких тысяч), составом и последовательностью мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты.
Бесконечное разнообразие белков создается за счет различного сочетания всего 20 аминокислот.
Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (- NH2) c основными свойствами, другая – карбоксильной группой (- COOH) c кислотными свойствами. Часть молекулы, называемая радикалом (R), у разных аминокислот имеет различное строение. Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реакционную способность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.
Уровни структурной организации молекул белка
1. Первичная структура белка – последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
2. Вторичная структура белка – имеет вид спирали в результате образования водородных связей между – CO и – NH группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи.
3. Третичная структура белка – трехмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация – глобула. Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.
4. Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка.
Биологическая роль белков
Белки – основа жизни. С ними связаны следующие свойства живого организма:
· Разнообразие белков и их высокая упорядоченность;
· Способность к воспроизведению себе подобных;
· Сократимость и движение;
· Обмен веществ (распад и обновление составных частей живого организма) с участием белков – ферментов.
Функции белков:
ü Каталитическая (ферментативная). Все ферменты, участвующие в любой реакции в организме, - белки (химотрипсин, рибонуклеаза, лизоцим);
ü Транспортная. Пример: перенос кислорода и углекислого газа гемоглобином, перенос глюкозы и аминокислот через клеточные мембраны особыми белками;
ü Пищевая и запасная (резервная). Пример: яичный альбумин, казеин молока и глиадин пшеницы;
ü Рецепторная. Пример: белки биомембран;
ü Сократительная и двигательная. Пример: актин и миозин – белки мышечной ткани;
ü Структурная. Пример: кератин волос, ногтей, коллаген (соединительная ткань), эластин (связки), фосфолипротеины (белки биологических мембран);
ü Защитная. Пример: антитела сыворотки крови;
ü Регуляторная. Пример: регуляция содержания глюкозы в крови инсулином;
ü Когенетическая. Участие в хранении и передаче наследственной информации совместно с нуклеиновыми кислотами, сохранение онкотического давления в клетках крови, поддержание физиологического значения pH внутренней среды организма.
Основное свойство белков – возможность связывания с различными веществами при помощи активных центров, состоящих из аминокислот.
Вещества, которые присоединяются к белкам (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты), - лиганды.
Физико-химические свойства белков
1. Электрохимические свойства белков:
· Амфотерность;
· Буферность (поддержка pH-среды);
· Наличие заряда в белковой молекуле.
2. Коллоидные свойства белков:
· Способность рассеивать свет (опалисценция);
· Малая скорость диффузии;
· Высокая вязкость растворов белков;
· Неспособность белков проникать через полупроницаемые мембраны (явление осмоса);
· Способность белковых растворов образовывать гель.
3. Гидрофильные свойства белков.
4. Растворимость белков. Зависит от двух факторов:
· Наличия заряда;
· Образования гидратной оболочки.
5. Денатурация. Под действием внешних факторов нарушаются высшие уровни (вторичный, третичный, четвертичный) структурной организации белков с сохранением первичной структуры. При этом белок теряет свои нативные свойства. При денатурации разрываются связи, удерживающие высшие структурные организации. Денатурацию вызывают физические и химические факторы: давление, температура, механическое воздействие, ультразвук, ионизирующее излучение, кислоты, щёлочи, органические растворители, соли тяжёлых металлов. При кратковременном воздействии денатурирующих факторов возможна ренатурация.
Факторы, вызывающие денатурацию белков
Физические факторы:
1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными;
2. Ультрафиолетовое облучение;
3. Рентгеновское и радиоактивное облучение;
4. Ультразвук;
5. Механическое воздействие (например, вибрация).
Химические факторы:
1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая);
2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO4);
3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон);
4. Растительные алкалоиды;
5. Мочевина в высоких концентрациях.
Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.
Обратимость денатурации
В пробирке (in vitro) чаще всего это – необратимый процесс. Если же денатурированный белок поместить в условия, близкие к нативным, то он может ренатурировать, но очень медленно, и такое явление характерно не для всех белков.
In vivo, в организме, возможна быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Такие специфические белки известны как «белки теплового шока» или «белки стресса».
Белки стресса
Существует несколько семейств этих белков, они отличаются по молекулярной массе.
Например, известен белок hsp 70 – heatshock protein массой 70 kDa.
Такие белки есть во всех клетках организма. Они выполняют функцию транспорта полипептидных цепей через биологические мембраны и участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белковых молекул. Перечисленные функции белков стресса называются шаперонными. При различных видах стресса происходит индукция синтеза таких белков: при перегреве организма (40-440С), при вирусных заболеваниях, отравлениях солями тяжелых металлов, этанолом и др.
В организме южных народов установлено повышенное содержание белков стресса, по сравнению с северной расой.
Молекула белка теплового шока состоит из двух компактных глобул, соединенных свободной цепью.
Разные белки теплового шока имеют общий план построения. Все они содержат контактные домены.
Разные белки с различными функциями могут содержать одинаковые домены. Например, различные кальций-связывающие белки имеют одинаковый для всех них домен, отвечающий за связывание Ca+2.
Роль доменной структуры заключается в том, что она предоставляет белку большие возможности для выполнения своей функции благодаря перемещениям одного домена по отношению к другому. Участки соединения двух доменов – самое слабое в структурном отношении место в молекуле таких белков. Именно здесь чаще всего происходит гидролиз связей, и белок разрушается.