Функции белков

БЕЛКИ

Мономеры и биополимеры

Молекулы, как известно, могут образовываться двумя различными способами. Относительно небольшие молеку­лы формируются непосредственно из атомов, соединяющих­ся в тех или иных сочетаниях. Однако строительными бло­ками молекул могут выступать не только атомы, но и уже готовые молекулы, которые, соединяясь друг с другом, образуют структуры гигантских размеров, называемые макромолекулами. Вещества, построенные из таких мак­ромолекул, носят название полимеров. Полимеры, цепочки, обра­зованные однообразной последовательностью небольших молекул — мономеров, встречаются и в неживой природе (каучук, полиэтилен и т. п.), однако именно в биологиче­ских системах полимеры (их называют биополимерами) ста­новятся основным материалом, который и позволяет про­явиться специфическим свойствам живой материи. Поэто­му иногда биополимеры называют субстратом живого.

Про­цесс образования биополимеров из мономеров обратим: в желудочно-кишечном тракте животных биополимеры пищи распадаются до молекул-мономеров, которые затем всасы­ваются в кровь, а оттуда поступают в клетки и используются живым организмом для создания тех макромолекул, которые нужны именно этому организму.

В биохимии особую роль играют три класса мономеров: аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды. Они служат теми «кирпичиками», из которых затем строятся по­лимерные биологические макромолекулы — белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Размер мономеров 0,5 — 1 нм (1/1 000 000 доля мм, 10^-6), в то время как макромолекулы достигают размеров от 3 до 300 нм, для сравнения толщина человеческого волоса 0,1 мм.

Всего в организме человека имеется более 5 мил­лионов типов белковых молекул. У каждого челове­ка есть белки точно такие же, как у всех остальных людей: мужчин и женщин, детей и стариков, негров в Африке, индейцев в Америке, китайцев, эскимо­сов — всех, всех, всех; другие белки свойственны только этому человеку, но очень похожи на белки его мамы, папы, брата или сестры. Точно так же об­стоит дело со всеми животными и растениями: на­пример, у каждого медведя есть общие «медвежьи» белки, а есть его «личные», и у каждой березы есть белки, свойственные всем березам, а есть характер­ные только для этой березы.

И для построения всех белков, какие только встре­чаются в живой природе, требуется всего лишь 20 различных аминокислот! При этом число амино­кислот в составе белка может быть любым — напри­мер, гормон окситоцин составлен всего лишь из девя­ти аминокислот, а белок гемоглобин, находящийся в эритроцитах (красных клетках крови), — из 600 ами­нокислот. Но все они относятся только к 20 «видам». Например, если в белке гемоглобине одну из 600 составляющих его аминокислот заменить «неправильной», то и гемо­глобин получится «неправильный», настолько, что и кровяные шарики, в состав которых он входит, будут выглядеть не как шарики, а как серпы. Эта болезнь так и называется — серповидноклеточная анемия

Белковые молекулы имеют форму длинных це­пей, состоящих из повторяющихся мономе­ров - аминокислот. Общая формула аминокислот, образующих белок, имеет вид:

Из формулы видно, что к центральному атому уг­лерода присоединены четыре разные группы. Три из них — атом водорода Н, щелочная аминогруппа NH₂ и кислая карбоксильная группа СООН - для всех аминокислот одинаковы. По составу и структуре четвертой группы, обозначенной R аминокислоты отличаются друг от друга. В самых простых структурах, например, в моле­куле аминокислоты глицина — такая группа представляет собой атом водорода, в молекуле аланина — СН₃ и т. д. Таким образом, в состав аминокислот вхо­дят все четыре органогена: С, О, Н, N, а в некоторые ради­калы может входить сера.

Химическая связь — СО — NH —, соединяющая аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой в молекулах белков, называется пеп­тидной связью (ковалентная связь).

Молекулы аминокислот ассиметричны т.е. обладают молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто еще в 40 — 50-е годы XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения — солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны от­клонять поляризованный луч света. Аминокислоты отклоняют поляризованный луч влево, обладая L- конфигурацией,

т.е. они оптически активны. У растворов из веществ небиологического происхождения это свойство отсут­ствует, строение их молекул симметрично.

Все организмы, будь то растения, живот­ные, бактерии или вирусы, содержат белки, построен­ные из одних и тех же аминокислот. Поэтому в любой пище содержатся те же аминокислоты, которые входят в состав белков организмов, потребляющих пищу. В организме человека синтезируется 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей (незаменимые). Белок, содержащий тысячи аминокислот, синтезируется в живой клетке за 5 — 6 мин. Но для искусственного создания белка потребовались многолетние опыты и сложнейшая ап­паратура, да и то на сегодня ученые научились созда­вать лишь некоторые, далеко не самые сложные бел­ки. Очень трудно получить белок вне клетки!

_{Рис. 2. Структурные уровни белковой макромолекулы: А - первичная Б – вторичная В – третичная структура}

_.

Структуру белковой молекулы, поддерживаемую ковалентными связями между аминокислотными остатка­ми, называют первичной. Под первичной понимают химическую, структурную формулу белка, представ­ленную в виде линейной последовательности аминокислотных остатков и определяющую порядок их чередования. Другими словами, первичная структура белка определяется простой последовательно­стью аминокислотных остатков как звеньев цепи. После соединения аминокислот в определенной последовательности цепь автома­тически закручивается, образуя спираль, в которой отдельные аминокислоты соединены во­дородной связью т.е. происходит само сборка бел­ковых молекул в трехмерном пространстве (вторичная структура). Если растянуть спираль, а затем ее отпускать, то она всег­да будет восстанавливаться в присущую для каждого вида цепи структуру, которая определяется составом и порядком аминокислотных ос­татков в цепи. Наиболее характерной вто­ричной структурой является а-спираль, когда аминокис­лотные цепочки как бы образуют резьбу винта. Одним из самых удивительных свойств макромолекул является то, что а-спирали с левой и правой «резьбой» встречаются в живой природе с существенно разной вероятностью: мак­ромолекул, «закрученных» вправо, почти нет.

Наиболее сложные и тонкие особенности структуры, отличающие один белок от другого, связаны с простран­ственной организацией белка, которую называют третич­ной структурой. Фактически речь идет о том, что спира­левидные цепочки аминокислотных остатков свернуты в клубок спиралей (глобулу). В результате доволь­но длинные цепочки занимают сравнительно небольшой объем в пространстве. Характер свертывания в клубок от­нюдь не случаен. Напротив, он однозначно определен для каждого белка. Именно благодаря третичной структуре белок способен выполнять свои уникальные каталитиче­ские, ферментативные функции, когда в результате целе­направленного захватывания реагентов осуществляется их синтез в сложные химические соединения, сравнимые по сложности с самим белком. Такая пространственная форма очень чув­ствительна к температуре окружающей среды. При повышении температуры белок денатурируется — теряет свою пространст­венную конфигурацию, а вместе с ней и биологические свойст­ва. У живых организмов это происходит при температуре около 60 °С. Кроме третичной структуры, белок может иметь четвертичную структуру, когда имеет место структурная связь между двумя или несколькими белками. Фактически речь идет об объединении нескольких «клубков» из полипептидных цепочек, например, гемоглобин, представ­ляют собой сложный комплекс из 4 гло­бул (рис. 2)

Белки выполняют все виды «активных работ».

Рис. 3 Функциональная роль белков

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). Без белков-ферментов невозможны никакие биохимические реакции (а живой организм остается живым только до тех пор, пока в нем ежесекундно осуществляется бесчисленное множество биохимичес­ких реакций). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется дан­ным белком. Ферменты намного эф­фективнее неорганических катализаторов и более из­бирательны: они помогают извлекать из сложной сме­си только одно вещество и превращать его не в не­сколько продуктов, а только в один. Ферменты имеют активный центр; химическое строение их таково, что с ними могут соединяться только вещества, на которые этот фермент действует, — так называемые субстраты. Субстрат — это какая-то молекула, которая после взаимодействия с I ферментом превращается в другую молекулу. Немецким биохимиком Фишером было установлено правило «замок — ключ»: к ферменту (замок) подходит лишь свой субстрат (ключ). Скорость биохимической реакции при наличии фермента может возрасти в 10 миллиардов раз! Примером действия фермента является знакомый всем любителям кошек по запаху процесс разложения мочевины на диоксид углерода и аммиак, который идет при наличии фермента уреазы.

H₂N - СО - NH₂ + Н₂О -* СО₂ + 2NH₃

мочевина вода диоксид аммиак

углерода

Химическую природу ферментов впервые опреде­лил в 1926 г. американский биохимик Дж. Самнер (1887— 1955), лауреат Нобелевской премии 1946 г. Из соевых бобов он выделил в кристаллической форме фермент уреазу и доказал его белковую природу.

Также белки играют транспортную роль: например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям, а углекислый газ — от тканей к дыхательным органам. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения — результат взаимо­действия молекул белков, функция которых заключается в движении. Есть белки— антитела (глобулины), функцией которых явля­ется защита организма от вирусов и бактерий. Белки - гормоны, управляют всеми жиз­ненными процессами в организме, ростом и размно­жением. Есть в организме и белки- спасатели. Например, белок фибриноген, растворенный в крови; он бесцветен и невидим, но как только где-то повреж­дается кровеносный сосуд и возникает кровотечение, фибриноген в этом месте быстро превращается в белые нити фибрина и «затыкает» отверстие в стенке сосуда (словно ватным тампоном).

Одна из важнейших функций белков — структурная: по процентному содержанию веществ в клетке белки занимают второе место и определяют, таким образом, белковую природу всех живых организмов. Фибриллярные белки (коллаген, кератин и фиброин шелка) играют структурную роль. Коллаген — наиболее распространенный белок у млекопи­тающих — образует основу сухожилий, костей, кожи и хрящей. Структурной единицей коллагенового волокна является молекула, состоящая из трех полипептидных це­пей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остатков (рис 3).

В лабораторных условиях не со­ставляет труда в растворе аминокислот получить пеп­тидные связи и сформировать длинные молекулярные цепи. Однако в таких цепях расположение аминокис­лот хаотическое, и образовавшиеся молекулы отлича­ются друг от друга. В то же время в каждом из природ­ных белков порядок расположения отдельных амино­кислот всегда один и тот же. А это означает, что при синтезе белка в живой системе используется инфор­мация, в соответствии с которой формируется вполне определенная для каждого белка последовательность аминокислот, определяющая пространственную струк­туру белка.

Нуклеиновые кислоты

Откуда аминокислоты узнают, в каком порядке и количестве им «строиться», чтобы образовать нуж­ный белок? Для этого в клетке существуют нуклеи­новые кислоты — ДНК и РНК. Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеи­новые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цито­плазме (прокариотических клеток и вирусов) и в органеллах клетки (митохондриях и хлоропластах). Нуклеиновые кислотыобразуют самые крупные молекулы, синтезируемые живыми организмами. Они существуют в виде полимерных макромолекул, участвующих в хранении и передаче наследственной информации. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Вторичная структура ДНК была установлена метода­ми рентгеноструктурного анализа в 1953г американским биохимиком Дж. Уотсоном и англий­ским биофизиком и генетиком Ф. Криком удо­стоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.

Нуклеиновые кислоты — это сложные органические соеди­нения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (полинуклеотиды). молекулынуклеиновыхкис­лот (ДНК и РНК) — только вправо, т. е. обладают пра­
вой, или D-конфигурацией.

Существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота

(ДНК) и рибонуклеиновая ки­слота (РНК). Дезоксирибонуклеиновая кислота выполняет функцию носи­теля генетической информации, а рибонуклеиновая кислота служит для передачи информации от ДНК в ядре к месту синтеза белков в цитоплазме. В управленческой структуре на «фабрике жизни» ДНК представляет законодательную власть, а РНК — исполнитель­ную. РНК не имеет двойной спиральной структуры и по­строена как часть одной из двух нитей ДНК. Молекулы РНК бывают трех видов: матричная или информационная (мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). Молекула мРНК явля­ется копией (транскриптом) с участкасоответствующей ДНК- матрицы. мРНК служит в свою очередь матрицей для синтеза белка с участием рибосом. Каждые три нуклеотида мРНК (они называются кодоном) кодируют одну аминокислоту. Молекулы тРНК в процессе синтеза белка переносят специфичные аминокислоты к определенному участку мРНК.

Мономерные звенья цепи нуклеиновых кислот называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотсодержаще­го основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и одной фосфатной группы, соединенных ковалентными связями (рис. 4).

Фосфорная кислота Сахар Азотистое основание

Рис 4. Строение нуклеотида

Азотистые основанияя входящие в состав нуклеиновых кислот это: тимин (Т), аденин (А), (урацил (У), гуанин (Г), цитонин (Ц), такие же названия имеют и нуклеотиды. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК определяет порядок расположения аминокислот и их воспроизведение в первичных структурах белков. Таким обра­зом, через молекулы ДНК и РНК передается информация о на­следственных свойствах биологических структур и реализуется механизм наследственности. В рибонуклеиновой кислоте (РНК) сахаром явля­ется углевод рибоза (С₅Н₁₀О₅)) а в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) — углевод дезоксирибоза (С₅Н₁₀О₄), который отличается от рибозы только тем, что около одно­го из атомов углерода ОН-группа заменена на атом водоро­да. «Алфа­вит» каждой из нуклеиновых кислот состоит всего из четырех «букв», Три из указанных азотистых оснований — Г, А и Ц — входят в состав и РНК, и ДНК. Четвертое азотистое осно­вание в этих кислотах разное — Т входит только в ДНК, а У — только в РНК. РНК содержит 4 — 6 тыс. нуклеотидов, ДНК — 10 — 25 тыс. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человече­ской клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.,

Молекула ДНК похожа на веревочную лестницу: «кусочки», которых она состоит и которые на­зываются нуклеотиды, соединяются между собой вдоль и поперек. веревочной лестницей, где роль «веревок» играют сахаро-фосфатные остовы, «перекладин» — основания, распо­ложенные перпендикулярно оси спи­рали. Каждая перекладина образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем если у одного основа­ния одно кольцо, то у другого — два. Таким образом, образуются комплиментарные пары: А-Т и Г-Ц связанные водородными связями. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним двумя водородными связями, и наоборот. Гуанин и цитозин связаны тремя водородными связями. Такие пары основа­ний, как и нуклеотиды, называются комплементарны­ми (. (рис.5, 6).

Рис. 5. Ковалентные связи между сахаром и фосфатной группой в одинарной цепочке и водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями

Комплементарность – дополнение. Азотистые основания комплементарны попарно (дополняют друг друга до целого как две половинки одного разбитого стекла)

ДНК РНК

А - Т А – У

Ц - Г Ц - Г

Это значит, что последова­тельность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплементарной цепи молекулы ДНК. Количество нуклеотидных пар, например, в генотипе человека составляет 3 — 3,5 млрд (рис.6).

Рис. 6. Принцип комплементарности

Рождение молекулярной генетики произошло, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум устано­вили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое выска­зывание «Один ген — один белок». Позже было выяснено, что ос­новной функцией генов является кодирование синтеза белка. По­сле этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основа­ния могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцать аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 50-х годов XX в. По его предположению, для кодирования одной аминокисло­ты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элемен­тарная единица наследственности, кодирующая одну аминокисло­ту в белке, получила название триплета или кодона. Сразу возникает вопрос: сколько различных троек можно получить из четырех «букв»? Легко сообразить, что та­ких троек может быть 4³ = 64. Но в образовании белков может участвовать всего 20 аминокислотных остатков, значит, некоторые из них можно кодировать разными тройками, что и наблюдается в природе. Например, лей­цин, серии, аргинин кодируются шестью тройками, пролин, валин и глицин — четырьмя и т. д. Это свойство триплетного генетического кода называется избыточностью генетического кода. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков(универсальность кодирования). В 1961 г. гипотеза Гамова была под­тверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков (рис. 7).

.

  Рис. 7. Генетический код. Триплеты нуклеотидов, ответственные за каждую из 20 аминокислот. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков живых организмов свидетельствует о биохимическом единстве жизни, говорит о происхо­ждении всех живых существ на Земле от единого предка.   Ген (от греч. genos — род, происхождение) — единица наследствен­ного материала, ответственная за формирование како­го-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов), определяющий структуру одной молекулы белка. Со­вокупность генов, содержащихся в одинарном (гаплоидном) наборе хромосом данного организма, называется - геномом, а генети­ческая конституция организма (совокупность всех его генов) — генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организ­ме - мутациям (рис.8.)  

Рис 9. Репликация ДНК

Рис. 8. Мутации, возникающие при удвоении ДНК

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения — образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК на­зывается репликацией. Репликация включает разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделять­ся друг от друга (рис. 9).

Рис.10. Транскрипция и трансляция в клетке

Транскрипция — это перенос информации о структуре белка, выраженной в последовательности триплетов нуклеотидов с ДНК матрицы (участка ее цепи - гене) на информационную РНК при ее синтезе с участием фермента РНК-полимеразы. Трансляция - перевод информации, выраженной в последовательности нуклеотидов в мРНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле в процессе ее синтеза. Синтез белка происходит в цитоплазме клетки на основе генетического кода и-РНК по принципу комплементарности с участием органелл — рибосом, куда транспортные РНК (более двух десятков видов) доставляют нужные аминокислоты. Сбор­ка одной молекулы белка, состоящей из 200 — 300 аминокислот, происходит при участии ферментов за 1 —2 мин. и требует сравни­тельно больших затрат энергии (рис.10,11).

Рис 11. Трансляция

.

Дата добавления: 2015-06-04