Функции белков

Белки.

Содержание в клетке. Можно оценить количество молекул в средней клетке. Гепатоцит: примем за куб со стороной 15 мкм, тогда объем = 3,4 х 10^9 куб.см. Считаем плотность клетки = 1,03 г/мл. Тогда вес клетки = 3.5 × 10⁻⁹ г. Поскольку белки составляют около 20% веса клетки, общий вес белков одной клетки = 7 × 10⁻¹⁰ г.

В среднем белковая молекула дрожжей весит 52 700 г/моль. Считая, что эта величина типична для эукариотической клетки, число молекул белка в гепатоците = около 7,9 × 10⁹ , исходя из общего веса белков в клетке и числа Авогадро. Гепатоцит содержит около 10 000 разных белков, - получается, что каждого белка около 1 000 000 молекул на клетку. На самом деле, число молекул очень варьирует – от редких рецепторов (например, рецептор инсулина 20 000 молекул), до обильного структурного белка актина (5 × 10⁸ молекул).

Белки обеспечивают выполнение генетической программы клеток, которая требует координации деятельности огромного числа различных белков. Специфичность и скорость реакций, катализируемых белками. Разнообразие функций современных белков можно проиллюстрировать на примере клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Геном дрожжей кодирует около 6225 белков. Установлено, что 17% их вовлечено в метаболизм, 30% обеспечивают организацию клетки и биогенез органоидов, 10% участвуют в мембранном транспорте.

Белки отличаются разнообразием формы и размеров. Основные типы белков. Ферменты. Формообразующие (скелетные) белки. Белки, обеспечивающие подвижность клетки. Транспортные белки. Белки могут связывать все возможные типы молекул – от простых ионов до крупных сложных молекул. Белки катализируют невообразимое число реакций. Белки работают в качестве сенсоров и регуляторов, контролируют транспорт и функции генов.

Белки – линейные полимеры. Аминокислоты. Всего 20 АК - свидетельство совершенства жизни. Уникальность строения каждого белка обеспечивается нековалентными взаимодействиями между участками линейной цепи. Конформация = трехмерная структура. Пространственная организация белков, их пространственная структура – то, что обеспечивает все разнообразие функций.

Принципиально понять: функция белка определяется его трехмерной структурой, которая, в свою очередь, определяется последовательностью аминокислот.

Классификация АК на основе их растворимости. Важна для понимания формирования пространственной структуры. Полярные АК «стремятся» находится на поверхности белка, взаимодействуя с водой, они делают белок растворимым. Неполярные группы агрегируют и формируют водо-нерастворимые участки. Т.о., полярность АК играет важную роль в формировании пространственной структуры белка.

Гидрофильные (водорастворимые) аминокислоты имеют ионизированные или полярные участки. Аргинин и лизин положительно заряжены при нейтральных рН, а аспарагиновая и глутаминовая кислоты - негативно. Гистидин имеет имидазольную группу, которая легко меняет заряд при малейших колебаниях рН. Это обеспечивает модулирование активности многих белков за счет изменения рН. Серин и треонин неполярные, но они имеют полярные гидроксильные группы, которые также участвуют в связывании протонов и изменении электрического заряда.

Гидрофобные АК имеют алифатические группы, которые нерастворимы, или очень слабо растворимы в воде.

В природе существует только один тип химической связи для формирования линейной белковой цепи. Пептидная связь образуется путем реакции конденсации между аминогруппой одной АК, и карбоксигруппой другой АК. Повторяющиеся атомы: амидный азот, C_α, и карбонильный углерод формируют скелет белковой молекулы, от которого в разные стороны отходят разные группы. С одной стороны пептидной цепи находится аминогруппа (N-конец), с другой – карбоксигруппа (C-конец). Скелет белковой цепи полярный, поскольку все аминогруппы лежат по одну сторону, это обеспечивается наличием C_α атома.

Периодичность альфа-спирали – 3,6 АК на виток. Гидрофильные или гидрофобные свойства спирали определяются боковыми группами. Во многих спиралях гидрофильные и гидрофобные группы располагаются с разных сторон – амфифатические спирали.

Пептиды – 20-30 АК. Более длинные – полипептиды. Белок – полипептид, или комплекс полипептидов, имеющий третичную структуру.

Размеры белков характеризуют их массой, измеряемой в дальтонах, или килодальтонах.

В общем виде структуру белков характеризуют в терминах четырех уровней организации.

Первичная структура – последовательность АК.

Вторичная структура – обусловленная водородными связями АК в пределах одной пептидной цепи. Если нет никаких связей, формируется неупорядоченная спиральная структура. При наличии водородных связей образуется или α спираль, или β слой.В среднем около 60% белков существуют в этих двух конформациях, остальные – в виде неупорядоченных спиралей и изогнутых цепей в виде U.

β слойформируется латерально упакованными нитями и обеспечивает образование плоскостей и карманов в белках.

Третичная структура. Определяется гидрофобными взаимодействиями между неполярными группами и дисульфидными мостиками. Образуется компактная структура. Третичная структура является наивысшим уровнем организации для мономерных белков, состоящих из одной цепи.

Особое место в формировании пространственной структуры белков занимают цистеин, глицин и пролин, которые содержат сульфгидрильные группы (-SH), которые при окислении формируют дисульфидные мостики (-S-S-). Эти мостики связывают между собой участки белковой цепи. Дисульфидные мостики очень распространены во внеклеточных белках, для которых особенно важно поддерживать пространственную организацию.

Мультимерные белки состоят из двух, или более цепей, или субъединиц, соединенных нековалентными связями. Четвертичная структура.

Макромолекулярные ансамбли. Пучки актиновых филаментов, поровые комплексы, вирусные капсиды. Протеасомы.

Многие белки содержат мотивы – специфические участки с определенной вторичной структурой. Например, coiled-coil – спиральная спираль (суперспираль) – спирали скручены в еще одну. Спираль-петля-спираль – мотив, связывающий ионы Ca²⁺ (helix-loop-helix). Другой распространенный мотив - zinc finger («цинковый» палец), образованный тремя вторичными структурами. Этот пептид с α –спиралью и двумя β слоями – образует пальцеобразный вырост, удерживающий атом цинка. Этот мотив распространен в белках, связывающихся с ДНК и РНК.

На уровне третичной структуры в белках выделяют домены – участки с определенной структурой – глобулярной или фибриллярной. Домены представляют собой компактно уложенные участки полипептидов. В крупных белках домены могут быть определены с помощью рентгеновской кристаллографии, иногда – с помощью ЭМ. Обычно домены состоят из 100- 200 АК, формирующих в различных комбинациях α спирали, β слои, вилки и неупорядоченные спирали. Часто домены характеризуют по их функциям – киназный домен, ДНК-связывающий домен. На практике охарактеризовать домен функционально проще, чем установить его третичную структуру.

Функции белков сильно зависят от их способности связываться с теми или иными молекулами (лигандами). Специфичность связывания. Фермент-субстрат. Модель взаимодействия ключ-замок. Модель изменения конформации. Ферменты. Одна животная клетка содержит 1 000 – 4 000 ферментов.

Антиген-антитело. Иммуноглобулины. Антигены. Эпитопы – участки АГ, индуцирующие образование АТ.

Биомембраны. Структурная организация и основные функции.
Фосфолипиды – главный компонент большинства мембран. Фосфолипиды – амфифатические (амфифильные) молекулы.

Фосфоглицериды – основной класс фосфолипидов. В них жирные кислоты связаны с двумя из трех гидроксильных групп глицерола, а третья группа фосфорилирована. В свою очередь, фосфатная группа связана с гидроксильной группой другого гидрофильного компонента, которым может быть холин или этаноламин, или серин, либо инозитол – многоатомные спирты. Фосфат и гидроксил имеют отрицательный заряд, что позволяет фосфолипидам взаимодействовать с водой. Жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными.

Сфингомиелин – фосфолипид, который вместо глицерола содержит сфингозин – амино-спирт, с длинной ненасыщенной углеводородной цепью. Является компонентом плазматической мембраны.

Стероиды. В том числе холестерол, являются другим важным компонентом мембранных липидов. Холестерол является амфифильной молекулой. Холестерола очень много в плазмалемме клеток млекопитающих (30-50%), и почти нет в клетках прокариот.

Холестери́н (синоним: холестерол) — природный жирный (липофильный) спирт, содержащийся в клеточных мембранах всех животных организмов. Нерастворим в воде, растворим в жирах и органических растворителях. Около 80 % холестерина вырабатывается самим организмом (печенью, кишечником, почками, надпочечниками, половыми железами), остальные 20% поступают с пищей. В организме находится 80 % свободного и 20 % связанного холестерина. Холестерин обеспечивает стабильность клеточных мембран в широком интервале температур. Он необходим для выработки витамина D, выработки надпочечниками различных стероидных гормонов, включая кортизол, кортизон, альдостерон, женских половых гормонов эстрогенов и прогестерона, мужского полового гормона тестостерона, а по последним данным — играет важную роль в деятельности синапсов головного мозга и иммунной системы, включая защиту от рака.

Плазматические мембраны эукариот содержат довольно большое количество холестерола - приблизительно одну молекулу на каждую молекулу фосфолипида. Помимо регулирования текучести холестерол увеличивает механическую прочность бислоя. Молекулы холестерола ориентируются в бислое таким образом, чтобы их гидроксильные группы примыкали к полярным головам фосфолипидных молекул. При этом плоские стероидные кольца молекул холестерола частично иммобилизуют участки углеводородных цепей, непосредственно примыкающих к полярным головам. Остальные части углеводородных цепей не утрачивают своей гибкости. Холестерол предотвращает слипание и кристаллизацию углеводородных цепей, ингибирует фазовые переходы , связанные с изменением температуры и таким образом предотвращается резкое уменьшение текучести мембран , которое в противном случае имело бы место при низкой температуре.

Холестерин также является основным компонентом большинства камней в желчном пузыре (см. историю открытия).

Исследования установили зависимость между содержанием различных групп липопротеинов и здоровьем человека. Большое количество ЛП низкой плотности явно коррелирует с атеросклеротическими нарушениями в организме. По этой причине такие липопротеины часто называют «плохими». Низкомолекулярные липопротеиды малорастворимы и склонны к выделению в осадок кристаллов холестерина и к формированию атеросклеротических бляшек в сосудах, тем самым повышая риск инфаркта или ишемического инсульта, а также других сердечно-сосудистых заболеваний.

С другой стороны, большое содержание ЛП высокой плотности в крови характерно для здорового организма, поэтому часто эти липопротеины называют «хорошими». Высокомолекулярные липопротеины хорошо растворимы и не склонны к выделению холестерина в осадок, и тем самым защищают сосуды от атеросклеротических изменений (то есть не являются атерогенными).

Уровень холестерина в крови измеряется либо в ммоль/л (миллимоль на литр, российские единицы) либо в мг/дл (миллиграмм на децилитр, американские единицы). Считается идеальным, когда уровень «плохих» низкомолекулярных липопротеинов ниже 100 мг/дл (для лиц с высоким риском сердечно-сосудистых заболеваний — ниже 70 мг/дл). Такой уровень, однако, у взрослых достигается редко. Если уровень низкомолекулярных липопротеинов выше 160 мг/дл, рекомендуется использовать диету для снижения его ниже 130 мг/дл. Если этот уровень выше 190 мг/дл или упорно держится выше 160 мг/дл, рекомендуется взвесить возможность лекарственной терапии. Для лиц с высоким риском сердечно-сосудистых заболеваний эти цифры могут снижаться. Процент «хороших» высокомолекулярных липопротеинов в общем уровне холестерин-связывающих липопротеинов - чем выше, тем лучше. Хорошим показателем считается, если он гораздо выше 1/5 от общего уровня холестерин-связывающих липопротеинов.

К факторам, повышающим уровень «плохого» холестерина, относятся курение, избыточный вес, переедание, гиподинамия или недостаточная физическая активность, неправильное питание с высоким содержанием холестерина и насыщенных животных жиров в пище (в частности, жирное мясо, сало), высоким содержанием в пище углеводов (особенно легкоусваиваемых, типа сладостей и кондитерских изделий), недостаточным содержанием клетчатки и пектинов, липотропных факторов, полиненасыщенных жирных кислот, микроэлементов и витаминов, злоупотребление алкогольными напитками, а также некоторые эндокринные нарушения — сахарный диабет, гиперсекреция инсулина, гиперсекреция гормонов коры надпочечников, недостаточность гормонов щитовидной железы, половых гормонов.

Повышенный уровень «плохого» холестерина также может наблюдаться при некоторых заболеваниях печени и почек, сопровождающихся нарушением биосинтеза «правильных» липопротеидов в этих органах. Он может также быть наследственным, генетически обусловленным при некоторых формах так называемых «семейных дислипопротеинемий». В этих случаях больным, как правило, нужна специальная лекарственная терапия.

К факторам, снижающим уровень «плохого» холестерина, относятся физкультура, спорт и вообще регулярная физическая активность, отказ от курения и употребления избыточных количеств алкоголя, еда, содержащая мало насыщенных животных жиров и легкоусваиваемых углеводов и богатая клетчаткой, полиненасыщенными жирными кислотами, липотропными факторами (метионином, холином, лецитином), витаминами и микроэлементами.

Однако, представления о роли холестерина в жизнедеятельности организма человека меняются по мере появления новых знаний, а также в зависимости от конъюнктуры фармацевтического рынка. Независимые физиологи говорят о том, что уровень холестерина в крови не зависит от его поступления с пищей и не регулируется «антихолестериновыми» препаратами, а прием столь часто назначаемых статинов быстро разрушает печень. Здравый смысл говорит о том, что питание должно быть разнообразным, без переедания, а еще один необходимый фактор здоровья – движение. К сожалению, врачи часто руководствуются финансовой выгодой, назначая те или иные препараты.

Фосфолипиды, взятые в смеси в соотношениях, присутствующих в клетке, спонтанно формируют симметричный фосфолипидный бислой толщиной в 2 молекулы (самосборка). Углеводородная часть – гидрофобная сердцевина толщиной 3-4 нм – в большинстве биомембран. Сфингомиелины по размерам схожи с фосфоглицеридами, и могут вместе с ними формировать бислой.

Дата добавления: 2014-03-03; просмотров: 516; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!