Денатурация белка

Присущие белкам свойства, связанные с особенностями конформации их молекул, существенно изменяются при нарушении этой конформации в процессе денатурации белка.

Под денатурацией понимают превращение биологически активного нативного белка в форму, при которой его естественные свойства, такие, как растворимость, электрофоретическая подвижность, ферментативная активность и т.д., теряются.

Денатурация является характерным признаком белков и не наблюдается у аминокислот и низкомолекулярных пептидов. Денатурация, как правило, связана с нарушением третичной и частично вторичной структуры белковой молекулы и не сопровождается какими-либо изменениями первичной структуры. Естественно поэтому, что при денатурации белка разрушаются, главным образом, водородные связи и дисульфидные мостики в белковой молекуле.

Классификация белковых молекул

Наиболее распространенная классификация белков учитывает некоторые их физико-химические свойства, особенности в химическом строении, происхождение и роль в организме. Согласно этой классификации все белковые вещества подразделяются на две большие группы:

- простые белки – протеины («протос» – первый, главный);

- сложные белки – протеиды (т. е производные протеинов).

Простыми называют белки, которые при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Сложные белки – белки, которые при гидролизе, наряду с аминокислотами, дают другие вещества: углеводы, фосфорную кислоту, нуклеиновые кислоты, липиды и пр.

Простые белки (протеины) по поведению в некоторых растворителях и по аминокислотному составу в свою очередь делятся на следующие подгруппы:

- протамины;

- гистоны;

- альбумины;

- глобулины;

- проламины;

- глютелины;

- протеиноиды.

Протамины и гистоны являются наиболее простыми белками с молекулярной массой 10000-20000. Протамины обладают выраженными щелочными свойствами, т.к. до 80% содержат основные кислоты (лизин, аргинин, гистидин). В их составе отсутствуют ароматические и серосодержащие аминокислоты. Гистоны обладают менее щелочными свойствами, т.к. содержат лишь до 30% основных аминокислот.

Альбумины и глобулины – протеины, встречающиеся во всех животных и растительных тканях; составляют основную массу белков крови и других биологических жидкостей.

Альбумины (М=35000-70000) осаждаются насыщенным раствором сернокислого аммония, растворяются в дистиллированной воде, обладают наибольшей подвижностью в электрическом поле, принимают участие в поддержании осмотического давления крови и транспортировке различных веществ (кальций, билирубин, жирные кислоты).

Глобулины (М=150000) высаливаются полунасыщенным раствором сернокислого аммония, осаждаются в дистиллированной воде, растворяются в физиологическом растворе, что позволяет их отделять от альбуминов высаливанием. При электрофорезе движутся с различной скоростью и поэтому разделяются на подфракции (α₁, α₂, β, γ-глобулины). При инфекционных заболеваниях увеличение в крови количества глобулинов связано с образованием иммунных веществ: антител и антитоксинов, в состав которых они входят.

Глютелины и проламины – белки растительного происхождения.

Протеиноиды – белковоподобные вещества, включают белки опорных тканей (костной ткани, хрящей, сухожилий, волос, шерсти, кожи, ногтей, шелка и др.). Отличительной особенностью этих белков является их полная нерастворимость в воде, солевых растворах, разведенных кислотах и щелочах, неперевариваемость пищеварительными ферментами.

Сложные белки – протеиды - состоят из белковой части и небелковой части (ее называют еще при небольшой молекулярной массе простетической группой). Белковые и небелковые компоненты в сложных белках связаны нековалентными связями.

Протеиды, в свою очередь, подразделяются на:

- хромопротеины (содержат в качестве простетической группы производные порфирина, изоаллоксазина, бета-каротина);

- фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту);

- гликопротеины (или углеводсодержащие белки – содержат углеводы);

- липопротеины (содержат липиды);

- металлопротеины (содержат различные атомы металлов);

- нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты).

Хромопротеины (от греческого слова «хрома» - краска) состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного соединения, которое может относиться к различным классам органических соединений.

Важнейшей особенностью хромопротеинов является их высокая биологическая активность. Они играют важную роль в процессах жизнедеятельности, так как, в основном, являются биокатализаторами, ускоряющими протекание в организме таких важнейших биохимических процессов, как фотосинтез и окислительно-восстановительные реакции.

Изоаллоксазин служит исходным соединением для синтеза флавиновых группировок, образующих в сочетании со специфическими белками ряд флавопротеинов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях в организме в качестве биокатализаторов-ферментов.

Производные каротина, связываясь с белком, дают начало хромопротеинам зрительного пурпура.

Производные порфирина с магнием образуют хлорофилл, комплекс которого с белком обеспечивает фотосинтетическую деятельность растений. Производные порфирина с железом образует гем и служит основой в комплексе с белком для образования гемоглобина и ряда дыхательных ферментов (цитохромов, каталазы, пероксидазы).

Большой группой сложных белков являются гликопротеины (углеводсодержащие белки).

Углеводсодержащие белки – обширный класс соединений, которые подразделяются на две большие группы – мукопротеины (протеогликаны) и гликопротеины.

Мукопротеины представляют собой белки, простетической группой которых служат глюкозаминогликаны (или кислые мукополисахариды): гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты A, B, C, D, гепарин и др., и обладают сильно выраженными кислотными свойствами.

Эти кислотные свойства связаны с наличием в составе глюкозаминогликанов большого числа остатков серной и глюкуроновой кислот. Связь между белками и глюкозаминогликанами в глюкуронидах непрочна, с чем связывают их участие в регуляции тканевой проницаемости. Кроме того, им присуща защитная и структурная функции. Главными представителями мукопротеинов (протеогликанов) являются муцины и мукоиды. Муцин входит в состав слюны, защищает от механических и химических повреждений слизистые оболочки пищеварительного тракта. Мукоиды входят в состав хрящей, костей, сухожилий, связок, яичного белка.

В отличие от мукопротеинов (протеогликанов) гликопротеины являются белками, у которых белковая часть прочно соединена с аминополисахаридами. Аминополисахариды не содержат уроновых кислот и сульфатов, а содержат гексозы, гексозамины, фукозы и сиаловые кислоты, или N-ацетил-нейраминовые кислоты. Поэтому эта группа полисахаридов теряет выраженные кислотные свойства, почему ее иногда называют нейтральными мукополисахаридами. Отсюда гликопротеины обладают слабовыраженными кислотными свойствами. Представителями гликопротеинов являются различные ферменты (холинэстераза, церулоплазмин), гормоны (гонадотропин, эритропоэтин), группоспецифические субстанции крови, протромбин, фибриноген, интерфероны, обладающие антивирусным, противоопухолевым и иммунорегуляторным действием, а также иммуноглобулины (антитела).

К числу сложных белков (протеидов) относятся фосфопротеины, при гидролизе которых наряду с аминокислотами, получается более или менее значительное количество фосфорной кислоты. В молекуле фосфопротеина остатки фосфорной кислоты сложноэфирными связями присоединяются к молекуле белка по месту гидроксильных групп оксиаминокислот (серина и треонина), входящих в состав полипептидной цепи.

Фосфопротеины с биологической точки зрения являются питательным материалом для растущего организма. Вместе с необходимыми для развития молодого организма аминокислотами фосфопротеины доставляют также необходимую для молодого организма фосфорную кислоту. Фосфорная кислота особенно важна для развития скелета.

Липопротеины – другая группа сложных белков, состоящая из белков и липидов (холестерина, фосфолипидов, триглицеридов).

В отличие от липидов, липопротеины растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях (эфире, бензоле, хлороформе и др.).

Прочность связи белков с липидами в липопротеинах неодинакова. В зависимости от того, есть ли в молекуле липида ионизированные группы атомов (как у полярных липидов – фосфатидов), или их нет (как у триацилглицеридов), между белковым и липидным компонентами липопротеина возникают лабильные нековалентные связи. Во втором случае белковая составляющая обволакивает липидную часть, которая становится центром мицеллы.

Липопротеины широко представлены в нервной ткани, плазме крови, молоке, образует биологические мембраны.

Наиболее изучены так называемые транспортные липопротеины, присутствующие в плазме крови млекопитающих. Липопротеины плазмы классифицируются по своей плотности на четыре группы. Самыми легкими липопротеинами являются хиломикроны – крупные структуры, содержащие около 98% липидов и 2% белков (главными липидными компонентами являются экзогенные триацилглицериды). Среди других основных липопротеинов липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП или пре-бета-липопротеиды) содержат около 90% липидов и 10% белков (главными липидными компонентами служат эндогенные триацилглицериды); липопротеины низкой плотности (ЛПНП или бета-липопротеиды) содержат около 78% липидов и 22% белков (главными липидными компонентами являются холестерол и его эфиры); липопротеины высокой плотности (ЛПВП или альфа-липопротеины) содержат около 50% липидов и 50% белков (главными липидными компонентами являются фосфолипиды и эфиры холестерола). Высокое содержание холестерола и оптимальный размер молекул (15-25 нм) для инфильтрации интимы артерий обусловило ведущую роль бета-липопротеинов в патогенезе атеросклероза.

Полагают, что липопротеины участвуют в транспорте гормонов стероидной природы и витаминов А.

Липопротеины участвуют также в построении биологических мембран.

Биологические клеточные мембраны представляют собой плоские структуры толщиной порядка 6-9 нм, которые состоят из молекул белков и липидов, удерживаемых вместе нековалентными связями. В различных мембранных структурах клетки (плазматической мембране, эндоплазматическом ретикулуме, аппарате Гольджи, митохондриальной и ядерной мембране и др.) на долю белков и липидов приходится от 20 до 80% обеих составляющих. Основными классами мембранных липидов служат:

- фосфолипиды (фосфоглицеролы: фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин и сфингомиелины);

- гликолипиды – производные сфингозина;

- холестерол.

Именно липидами определяется пластинчатая форма мембран и их основные физико-химические свойства. Характерной особенностью молекул фосфолипидов и гликолипидов является их амфифильность: один конец молекулы гидрофильный, другой – гидрофобный. Гидрофобный конец составляют углеводородные радикалы жирных кислот и сфингозина. Гидрофильный конец в гликолипидах образован углеводной частью, в фосфолипидах – фосфатным остатком, связанным с холином, этаноламином или серином. Благодаря амфифильности эти липиды в водной среде образуют многомолекулярные структуры с упорядоченным расположением молекул: гидрофобные части вытесняются из водной среды и взаимодействуют друг с другом, а гидрофильные части контактируют с водой и гидратируются. Именно этим определяется построение бимолекулярного липидного слоя мембран, состоящего из гидрофильной и гидрофобной фаз. Холестерин находится практически целиком в гидрофобной части бимолекулярного слоя. При этом гидроксильная группа примыкает к гидрофильным головкам фосфолипидных молекул, а кольцо стерана уходит в толщу углеводородных цепей фосфолипидов. Благодаря такой компоновке, холестерин регулирует образование кристаллических структур мембраны. Состояние, в котором находятся липиды мембраны, называется жидкокристаллическим, поскольку в целом липидная прослойка жидкая, но в ней есть плотные участки, похожие на кристаллические структуры. Холестерин, разъединяя неполярные цепи фосфолипидов, мешает излишнему затвердеванию жидкого слоя и в то же время в участках с большим количеством «жидких» ненасыщенных цепей жирных кислот фосфолипидов способствует их уплотнению. Благодаря жидкокристаллической структуре липидного бислоя, молекулы липидов, несмотря на упорядоченность положения, сохраняют способность к диффузии в направлении, параллельном поверхности мембраны (латеральная диффузия) без выхода за пределы слоя. Эту способность мембран охарактеризовывают, как их текучесть. Текучесть зависит как от содержания холестерина, так и состава жирных кислот. Наличие насыщенных жирнокислотных остатков в фосфолипидах приводит к жесткому состоянию, так как прямые углеводородные цепи легче взаимодействуют между собой. Присутствие ненасыщенных связей в ацильных остатках ведет к появлению изгибов в цепях, что затрудняет их взаимодействие и способствует дезорганизации и переходу в жидкое состояние. Холестерин, как указывалось выше, также влияет на процесс кристаллизации и, следовательно, на текучесть мембран. Что касается поперечной диффузии липидов (флип-флоп), то она крайне ограничена.

Липидные бислои характеризуются крайне низкой проницаемостью для заряженных ионов типа Na⁺, Cl^-, H⁺ и для большинства полярных соединений (например, сахаров), но легко проницаемы для воды (благодаря наличию пронизывающих мембрану пор). Полярные молекулы проникают через мембрану только при наличии для них специфических транспортных систем (переносчиков), или путем фильтрации через поры мембран, растворяясь в воде. В то же время растворимые в липидах молекулы легко проходят через биомембраны благодаря своей способности растворяться в углеводном слое мембран.

Мембраны обладают высоким электрическим сопротивлением и поэтому являются хорошими изоляторами.

Как говорилось выше, липидный слой жидкий, что позволяет ему служить как бы растворителем для мембранных белков.

Содержание белка сильно варьирует в разных мембранах, определяя в значительной мере их свойства. В зависимости от прочности связи с мембранными структурами различают периферические (внешние) и интегральные (внутренние) мембранные белки. Периферические белки непрочно связаны с поверхностью мембраны электростатическими и водородными взаимодействиями, которые легко разрушаются при изменении значения рН и концентрации солей. Интегральные белки погружены внутрь мембраны и даже могут пронизывать ее насквозь. Трансмембранные белки могут служить ионными каналами.

Интегральные белки образуют многочисленные связи с углеводородными цепями мембранных липидов и отделить их можно только с помощью детергентов или органических растворителей.

Состав белков разных мембран неодинаков и определяет их функции. В плазматических мембранах выделяют следующие группы белков:

- антигенные белки, представленные обычно гликопротеинами и гликопротеолипидами, определяют специфику поверхности клетки и взаимодействие с антителами;

- структурные белки, находящиеся в толще мембраны;

- рецепторные белки, расположенные снаружи мембраны или в цитозоле, определяют биохимический ответ клетки на внешние регуляторы (гормоны, медиаторы и др.);

- ферментные белки, расположенные в разных фазах (слоях), определяют функции мембраны;

- транспортные белки, осуществляющие перенос веществ через мембрану.

Организация мембранных структур, наличие в мембранах ферментных белков обеспечивает наряду с выполнением ими разделительной функции (барьеры проницаемости с высокой избирательностью), также
метаболическую (превращение природных и чужеродных веществ); регуляторную (участие в образовании 3’,5’-АМФ и 3’,5’-ГМФ); энерготрансформирующую (образование АТФ путем окислительного фосфорилирования); транспортную (трансмембранный перенос веществ, регулирующий молекулярный и ионный состав компартментов) функции.

Следует сказать, что поверхность мембран несет электрически заряженные группы, которые помогают поддерживать разность электрических потенциалов на мембране, что имеет особое значение для передачи нервных импульсов.

Одна из главных функций мембран – регуляция переноса веществ.

Через мембраны клетки в одно и то время в обоих направлениях в клетку и из клетки проходят сотни разных веществ, без чего невозможна ее жизнедеятельность. Различают следующие способы переноса веществ через мембраны: простую диффузию, облегченную диффузию и активный транспорт.

Мембраноподобные структуры возможно создать искусственным путем, поскольку на поверхности раздела фаз (воды-жира) полярные липиды легко и самопроизвольно формируют очень тонкие бислои. В лабораторных условиях такие бислои нетрудно получить путем сильного встряхивания водных суспензий фосфолипидов. При этом образуются замкнутые пузырьки, окруженные непрерывным липидным бислоем и получившим название липосомы. Возможно также создание искусственных мембранных пузырьков – протеолипосом – с заданным составом. Для этого выбранные липиды и белки растворяют в растворе детергента, а затем детергент удаляют диализом. Липосомы с успехом используются в качестве моделей для изучения свойств клеточных мембран и органелл, а также для доставки лекарственных веществ в ткани.

Среди сложных белков имеется группа белков, содержащая в своем составе металлы (Fe,Cu,Mg и др.), связанные с белковой частью посредством комплексной связи без каких-то специальных группировок атомов, и получившие название металлопротеинов. С точки зрения функций – это частично транспортные белки для металлов (например, трансферрин), частично депонирующие белки (например ферритин, гемосидерин). К числу металлопротеинов относятся некоторые ферменты: дипептидаза (Мо²⁺), ксантиноксидаза (Мо²⁺), тирозиназа (Сu²⁺), полифенолоксидаза (Сu²⁺), цитохромоксидаза (Fe²⁺, Сu²⁺), пероксидаза (Fe²⁺) и др. В протеиназах металлы часто встречаются совместно с другими небелковыми группами сложных белков (например, металлофлавопротеины).

Чрезвычайно важную группу сложных белков составляют нуклеопротеины. Нуклеопротеины входят в состав любой клетки, так как являются непременными компонентами ядерного материала и цитоплазмы. Некоторые нуклеопротеины существуют в природе в виде особых частиц, обладающих патогенной активностью и получивших название вирусов.

Нуклеопротеины играют большую биологическую роль. Они являются не только структурными элементами клетки, но и выполняют важнейшие специфические функции в живом организме.

Нуклеопротеины имеют молекулярную массу от нескольких десятков тысяч до десятков и даже сотен миллионов дальтон. Растворы их обладают высокой вязкостью и обнаруживают в ряде случаев двойное лучепреломление. Форма молекул у нуклеопротеинов широко варьирует от глобулярной до нитевидной. При неполном гидролизе нуклеопротеина, например, под влиянием ферментов, нуклеопротеин распадается на белок и нуклеиновую кислоту. Соотношение белка и нуклеиновой кислоты в нуклеопротеинах отличается разнообразием (часто от 30% до 60% обеих составляющих).

Тип связи между белком и нуклеиновой кислотой, как полагают, ионный.

У большинства организмов белковой составляющей нуклеопротеинов являются гистоны и протамины. Однако, нуклеопротеины из растительных тканей, бактерий, вирусов, а также некоторых тканей животных характеризуются содержанием других простых белков (альбуминов или глобулинов).

По составу нуклеиновых кислот нуклеопротеиды могут быть дезоксирибонуклеопротеинами и рибонуклеопротеинами. Дезоксирибонуклеопротеины (ДРНП) и рибонуклеопротеины (РНП) представляют собой сложные агрегаты, построенные из 1-2 молекул нуклеиновой кислоты (соответственно ДНК и РНК) и большого числа прикрепленных к ней белковых субъединиц. Классическим примером рибонуклеопротеина является вирус табачной мозаики, содержащий одну молекулу РНК с молекулярной массой 2 млн. и около 2000 белковых субъединиц.

Из рибонуклеопротеинов построены рибосомы – особые органеллы клетки, в которых происходит синтез белка.

ДРНП входят в состав мононуклеосом, являющихся составной частью хромосомы.

Нуклеиновые кислоты и белок в нуклеопротеинах взаимно стабилизируют друг друга. Важно подчеркнуть, что подавляющая часть нуклеиновых кислот клетки существует в виде нуклеопротеинов. Сочетание в единую молекулу нуклеиновой кислоты и большого числа белковых субъединиц приводит к появлению уникальных функциональных свойств у такого рода образований. В частности, РНП – частицы играют исключительную роль в биосинтезе белка, а ДРНП – в формировании и функционировании хромосомного аппарата клетки, хранящего генетическую информацию. Ведущее значение в этих функциях нуклеопротеинов принадлежит нуклеиновым кислотам.

Дата добавления: 2014-01-05