В природе существуют белки, в которых помимо аминокислот содержатся другие химические компоненты, такие, как липиды, сахара, ионы металлов. Обычно эти компоненты играют важную роль при выполнении белком его биологической функции. Так, перенос молекул и ионов из одного органа в другой осуществляют транспортные белки плазмы крови. Белок гемоглобин (от греч. gemo - кровь и лат. globes - шар, шарик), содержащийся в кровяных клетках — эритроцитах (от греч. eritros — красный и kites — клетка), доставляет кислород от лёгких к тканям. В молекуле гемоглобина есть комплекс иона железа со сложной органической молекулой, называемый гемом. Гемоглобин состоит из четырёх белковых субъединиц, и каждая из них содержит по одному гему.
В связывании кислорода в лёгких принимает участие непосредственно ион железа. Как только к нему хотя бы в одной из субъединиц присоединяется кислород, сам ион тут же чуть-чуть меняет своё расположение в молекуле белка. Движение железа «провоцирует» движение всей аминокислотной цепочки данной субъединицы, которая слегка трансформирует свою третичную структуру. Другая ещё не присоединившая субъединица, кислород, «чувствует», что произошло с соседкой. Её структура тоже начинает меняться. В итоге вторая субъединица связывает кислород легче, чем первая. Присоединение кислорода к третьей и четвёртой субъединицам происходит с ещё меньшими трудностями. Как видно, субъединицы помогают друг другу в работе. Для этого-то гемоглобину и нужна четвертичная структура. Оксид углерода СО (в просторечии угарный газ) связывается с железом в геме в сотни раз прочнее кислорода. Угарный газ смертельно опасен для человека, поскольку лишает гемоглобин возможности присоединять кислород.
Это интересно!
Медная кровь
В холодных водах Перуанского течения в Тихом океане обитает кальмар Dosidicus gigas. Его сигарообразное тело вместе со щупальцами достигает в длину 3,5 м, а масса гиганта может превышать 150 кг. Мощные мышцы выбрасывают струю воды с силой, с какой она бьёт из пожарного рукава, благодаря чему кальмар способен двигаться со скоростью до 40 км/ч. Клювом, очень крепким и острым, он может перебить стальной кабель. По свидетельству очевидцев, кальмар буквально в клочья раздирает 20-килограммовую рыбину. Этот свирепый хищник очень опасен и для человека. В книге Франка Лейна «Царство осьминога» утверждается, что «человек, упавший за борт в местах, где обитает много кальмаров, не проживёт и полминуты».
Чтобы «зарядиться» энергией, этому обитателю океана требуется много кислорода - не менее 50л в час. Поступающий из морской воды кислород разносится по телу кальмара с помощью особого белка, содержащего медь, - гемокианина (от греч. gemo - кровь и kianos - лазурный, голубой).
Стоит заметить, что в крови позвоночных кислород «транспортируют» атомы железа в составе гема - особой сложной молекулы, которая входит в состав белка гемоглобина. Им буквально нашпигованы красные кровяные клетки - эритроциты. Молекула гемоглобина содержит четыре гемовых фрагмента, каждый из которых способен связать молекулу кислорода. В отличие от гемоглобина, в гемокианине атомы меди непосредственно связаны с белковыми молекулами, которые не включены ни в какие клетки, а свободно «плавают» в крови. Зато одна молекула гемокианина способна связать до 200 атомов меди. И ещё одна особенность гемокианина - его молекулы имеют огромные даже для белков размеры. У «обычных» белков, входящих в состав яиц, молока, мыши, молекулярная масса колеблется в пределах от 6 тыс. до 1 млн., а молекулярная масса гемокианина может достигать 10 млн.! Это один из самых крупных белков; больше по размеру и массе - только белковые комплексы у вирусов.
Гемокианин - очень древний белок. Он устроен проще, чем гемоглобин и не так эффективен. Тем не менее при малом содержании кислорода в морской воде гемокианин довольно успешно снабжает им ткани холоднокровных животных. Так, давление кислорода в жабрах лангуста составляет всего 7 мм рт. ст. (930 Па), а в тканях - 3 мм рт. ст.; причём концентрация этого газа в крови лангуста в 20 раз выше, чем в морской воде.
Кроме кальмаров, кислород переносится «голубой кровью» также у десятиногих ракообразных (омары, крабы, креветки). Гемокианин найден у всех головоногих моллюсков (осьминоги, кальмары, каракатицы), разнообразных улиток, пауков и др. А вот у морских гребешков, устриц и других двустворчатых моллюсков его нет.
Количество гемокианина в крови может быть самым разным. Так, у шустрых осьминога и мечехвоста (морское животное типа членистоногих) концентрация этого необычного белка доходит до 10г в 100мл крови - почти столько же гемоглобина в крови человека. В то же время, у малоподвижного съедобного моллюска морское ушко Hatiotis tuberculata в 100мл крови всего 0,03г гемокианина. Это и понятно: чем более активно животное, чем больше кислорода необходимо ему для восполнения энергетических затрат, тем выше в крови концентрация белка, переносящего кислород.
Гемокианин был открыт в 60-х годах XIXв., когда биологи заметили, что кровь головоногих моллюсков при прохождении через жабры окрашивается в голубой цвет. А в 1878г. бельгийский физиолог Леон Фредерик доказал, что голубой цвет вызван реакцией кислорода с медьсодержащим белком, который он назвал гемокианином. Когда последний теряет кислород, он, в отличие от гемоглобина, становится бесцветным. Примечательно, что всю работу по изучению нового белка Фредерик выполнил в течение одного дня.
Из гемокианина нетрудно полностью извлечь медь. Для этого достаточно обработать белок в отсутствии кислорода реактивом, который прочно связывается с ионами одновалентной меди. Таким же способом можно определить содержание меди в гемокианине. Лишённый этого металла, он теряет способность переносить кислород. Но если потом ввести в раствор белка ионы меди, гемокианин восстанавливает свою физиологическую активность. Так было доказано, что в отсутствие кислорода медь гемокианина находится в степени окисления +1. При избытке же этого газа происходит частичное окисление металла. При этом всегда на одну связанную гемокианином молекулу кислорода приходится два атома меди. Таким образом, кислород окисляет ровно половину атомов меди. Это ещё одно отличие гемокианина от значительно более распространённого в животном мире гемоглобина, в котором все атомы железа равноценны и имеют заряд +2 как в свободном состоянии, так и в комплексе с кислородом.
Что записано в генах
Последовательность аминокислот в белках кодируется генами, которые хранятся и передаются по наследству с помощью молекул ДНК. Пространственную структуру белка задаёт именно порядок расположения аминокислот. Получается, что не только первичная, но и вторичная, третичная и четвертичная структуры белков составляют содержание наследственной информации. Следовательно, и выполняемые белками функции запрограммированы генетически. Громадный перечень этих функций позволяет белкам по праву называться главными молекулами жизни. Поэтому сведения о белках и есть то бесценное сокровище, которое передаётся в природе от поколения к поколению.
Интерес человека к этим органическим соединениям с каждым годом только увеличивается. Сегодня учёные уже расшифровали структуру многих белковых молекул. Они выясняют функции самых разных белков, пытаются определить взаимосвязь функций со структурой. Установление сходства и различий у белков, выполняющих аналогичные функции у разных живых организмов, позволяет глубже проникать в тайны эволюции.