Білки - Медична енциклопедія - все про здоров’я серця
Білки (протеїни) - органічні сполуки, структурною основою яких служить поліпептидний ланцюг, що складається з амінокислотних залишків, з'єднаних пептидними зв'язками (-СО-NH2-) у певній послідовності. Білки є основними компонентами всіх організмів, які забезпечують виконання найважливіших процесів життєдіяльності. В основному всі Б. побудовані з 20 стандартних амінокислот і відрізняються один від одного лише послідовністю з'єднання амінокислотних ланок, що припускає, проте, можливість існування величезної кількості різноманітних білків. Поліпептидна ланцюг всіх Би. на одному кінці має NH2-групу (N-кінець), а на іншому - СООН-групу (С-кінець). Молекули деяких білків складаються з кількох поліпептидних ланцюгів. Так звані складні білки, крім амінокислот, містять простетичну групу, необхідну для виконання білком його біологічної функції. Залежно від хімічної природи простетичних груп розрізняють кілька класів білків. Ковалентні взаємодії між амінокислотними залишками в поліпептидному ланцюгу та між білковою частиною молекули та простетичною групою складного Б. визначають так звану первинну структуру білка, від якої залежать усі його властивості. Первинна структура кожного білка закодована в геном (див. Ген). Заміна хоча б однієї амінокислоти в поліпептидному ланцюгу в результаті генетичної мутації або з іншої причини може суттєво змінити функціональні властивості Б. У ряді випадків така заміна може призвести до розвитку «молекулярного» захворювання.
Так, серповидно-клітинна анемія розвивається в результаті генетично детермінованої заміни залишку глутамінової кислоти в 6-му положенні b-ланцюга гемоглобіну на залишок валіну. Таблиця Складні білки та хімічна природа їхпростетичних груп Клас складних білків Простетична група Характерні представники Ліпопротеїни Ліпіди β1-Ліпопротеїн крові Глікопротеїни Вуглеводи g-Глобулін крові Фосфопротеїни Фосфатні групи Казеїн молока Гемопротеїни Гем (комплексна сполука заліза з протопорфірину) Сукцинатдегідрогеназа Металопротеїни Метали: Fe, Zn та ін. Феррітін, алкогольдегідрогеназа Поліпептидні ланцюги Б. згортаються у просторі певним чином, внаслідок чого виникає характерна для даного типу Б. так звана вторинна структура. Теоретично поліпептидні ланцюги у просторі можуть утворювати нескінченну кількість структур, однак у нормальних умовах кожен білок, як правило, приймає єдину, специфічну для цього білка конформацію, що визначається і підтримується бічними групами атомів, а також жорсткістю та трансконфігурацією пептидних зв'язків. Основними стійкими та впорядкованими конформаціями поліпептидних ланцюгів є права a-спіраль та b-структура. В a-спіралі поліпептидний кістяк формує щільні витки з кроком довжиною в 3,6 амінокислотних залишків (близько 0,54 нм) навколо довгої осі молекули, а бічні групи атомів амінокислот виступають назовні. Витки цієї спіралі стабілізуються водневими зв'язками, утвореними атомами водню у пептидного азоту і протистоїть електронегативними атомами кисню карбонільних (СО-) груп. a-Спіраль - найпростіша форма організації поліпептидного ланцюга, що утворюється завжди, коли тому немає перешкод. Перешкоджають формуванню a-спіралі ділянки поліпептидного ланцюга, що містять велику кількість близьких до одиниць залишків глутамінової кислоти лізину або аргініну, що мають заряджені бічні групи атомів, схильні до взаємного відштовхування.Заважають a-спіралізації також амінокислоти, що сусідять, з громіздкими бічними угрупованнями (аспарагін, греонін, лейцин), а також пролін, в молекулі якого атом азоту входить до складу гетероциклічного угруповання і не пов'язаний з воднем. Молекула тропоколагену (субодиниці колагену) складається з трьох сплетених поліпептидних ланцюгів. Потрійна спіраль тропоколагену стабілізується поперечними водневими та ковалентними зв'язками, що утворюються залишками лізину сусідніх поліпептидних ланцюгів. Розташовані поруч потрійні спіралі поєднані між собою поперечними зв'язками. Колагенова спіраль унікальна і не зустрічається у жодних інших білках.
Особливого типу спіраль виявлено також у молекулі білка тропоеластину. Ця спіраль має дивовижну властивість розтягуватися при натягу і повертатися до вихідної довжини при знятті навантаження. У разі b-конформації кістяк поліпептидного ланцюга має не спіральну, а плоску зигзагоподібну структуру, всередині якої водневі зв'язки відсутні. Такі b-структури утворюються лише тоді, коли у складі поліпептидного ланцюга виявляються амінокислоти з невеликими бічними угрупованнями (гліцин, аланін), розташовані у певній послідовності. b-Конформація характерна для молекул b-кератину, фіброїну шовку та ін. Білки, у яких вторинна структура є кінцевою щабель організації молекули (так звані фібрилярні білки), мають ниткоподібну форму і нерозчинні у воді. Крім фібрилярних існує велика група глобулярних Б., у яких поліпептидні ланцюги згорнуті в щільну компактну сферу, або глобулу, що визначає третинну структуру Б. Гідрофобні угруповання глобулярних Б., як правило, виявляються всередині глобули, що забезпечує розчинність таких Б у воді. Згортання поліпептидних ланцюгів та освітапетель відбувається через наявність у ланцюгах деспіралізованих ділянок, що складаються з амінокислот, що не допускають утворення a-спіралей. тобто. цей процес також зумовлений первинною структурою білка. Третинна структура білкової молекули на відміну від вторинної стабілізується хімічними зв'язками, наприклад дисульфідними (S-S-зв'язками), що виникають між далекими ділянками поліпептидного ланцюга. Часто ця стабілізація здійснюється завдяки взаємодії бічних угруповань сусідніх петель. При штучному руйнуванні третинної структури (денатурації) білок, як правило, втрачає свою біологічну активність, проте деякі глобулярні Б. здатні зазнавати оборотних змін своєї конформації у процесі виконання специфічних функцій (наприклад, гемоглобін, ферментні Б.).
Найвищим за складністю структурним утворенням Б. є четвертинна структура, що виникає при групуванні в межах однієї молекули декількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць). Б., що складаються з двох і більше субодиниць, називають олігомерними. Так, наприклад, функціонально активні молекули ферменту гексокінази складаються з 2 або 4 субодиниць, гемоглобіну - з 4 субодиниць, аспартат-карбамоїлтрансферази - з 12 субодиниць. Відповідно до біологічних функцій розрізняють Б. структурні, скорочувальні та рухові, захисні, транспортні, регуляторні, ферментні, харчові та запасні. Структурні Б. утворюють волокна, навиті один на одного або укладені плоским шаром. Вони виконують опорну чи захисну функцію, скріплюючи біологічні структури та надаючи їм міцність. Найбільш важливими в цій групі Б. є білки фібрилярні колагени, що складають основу хрящів, сухожиль і шкіри. Волосся та нігті складаються, в основному, з нерозчинного фібрилярного білка кератину, зв'язкимістять фібрилярний білок еластин, здатний розтягуватися у двох напрямках. Скорочувальні Б. надають клітинам і організмам здатність скорочуватися, змінювати форму та пересуватися. Так, актин і міозин складають основу скелетних м'язів, тубулін забезпечує рухливість вій і джгутиків, за допомогою яких пересуваються окремі клітини. Захисні Б. - антитіла - розпізнають чужорідні білки, віруси, мікроорганізми, що проникли в організм і, утворюючи з ними комплекс антиген - антитіло, нейтралізують їх. Фібриноген і тромбін - Б. згортання крові захищають організм від втрати крові при пошкодженні судин. Транспортні Б. плазми крові утворюють комплекси з окремими молекулами або іонами і розносять їх по організму: гемоглобін – кисень, ліпопротеїни – ліпіди, альбуміни – мікроелементи. вітаміни, гормони. У клітинних мембранах є специфічні білки-переносники, що транспортують у клітину і назад глюкозу та різноманітні біологічно активні сполуки. Регуляторні Б. беруть участь у регуляції клітинної чи фізіологічної активності.
Білково-пептидні гормони, наприклад, регулюють обмін глюкози (інсулін), ріст (соматотропний гормон, або гормон росту), транспорт іонів Са2+ і фосфатів (паратгормон) та ін. , які протікають в організмі. До харчових Би. відносять Би., що містять у своєму складі багатий набір різноманітних амінокислот, в т.ч. незамінних. Деякі Б., наприклад, казеїни молока та їх гідролізати, використовують для парентерального харчування хворих. Класифікувати Б. можна за безліччю ознак, у зв'язку з чим одні й самі білки найчастіше потрапляють у різні класи. Як правило, Б. групують за їх фізико-хімічними властивостями, а такожлокалізації. Так, по електрофоретичній рухливості, розчинності у воді та в розчинах сульфату амонію (NH4)2SO4 у сироватці крові та інших біологічних рідинах розрізняють альбуміни та глобуліни, у клейковині насіння злаків – глютеліни та проламіни (гліадин, зеїн, гордеїн). В окрему групу виділяють протаміни, низькомолекулярні білки, що виявляються в спермі тварин і деяких риб, що більш ніж наполовину складаються з діаміномонокарбонових амінокислот, а також схожі на протаміни білки гістони, що знаходяться в ядрах клітин в комплексі з ДНК, Структурні фібрил , Кератин відносять до класу склеропротеїнів; глікопротеїни, що містять у своєму складі кислі глікозаміноглікани, іноді називають мукопротеїнами (муцини і мукоїди синовіальної рідини та слизів).
Біосинтез Б. відбувається на спеціальних органелах клітин - рибосомах і протікає в чотири основні етапи. Попередньо кожна з необхідних для синтезу поліпептидного ланцюга амінокислотного білка активується в цитоплазмі за допомогою специфічної аміноацил-тРНК - синтетази (амінокислота-транспортна РНК - синтетази), що використовує для цього енергію АТФ (див. Макроергічні сполуки). Спочатку відбувається ініціація поліпептидного ланцюга. При цьому матрична, або інформаційна, РНК (мРНК), що містить інформацію про поліпептиді, що синтезується, зв'язується з малою субчастицею рибосоми (див. Клітина), а потім з тРНК, що несе так звану ініціюючу амінокислоту, яка взаємодіє з особливим кодоном (триплетом) сигналізує про початок поліпептидного ланцюга (див. Нуклеїнові кислоти). Ініціюючою амінокислотою у всіх еукаріотів (вищих організмів) є метіонін. У процесі ініціації поліпептидного ланцюга беруть участь гуанозинтрифосфат і три специфічні білки, які називаютьсяфакторами ініціації (IF-1, IF-2, IF-3). На другому етапі синтезу білка - елонгації (подовженні ланцюга) рибосома переміщається вздовж мРНК з одного кодону на інший і поліпептидний ланцюг подовжується, починаючи з N-кінця, за рахунок послідовного приєднання амінокислот, що доставляють тРНК. «Зростання» поліпептиду здійснюється за допомогою білкових факторів елонгації, що знаходяться в цитозолі — Tu, Ts, і G. Після завершення синтезу поліпептиду, про що сигналізує термінуючий кодон мРНК (УАА, УАГ або УГА), відбувається вивільнення поліпептидного ланцюга з рибосоми (третій етап за участю особливих факторів - факторів термінації - R1, R2, S. На четвертому етапі біосинтезу білок зазнає так званої посттрансляційної модифікації, або процесинг, що полягає у видаленні ініціюючої амінокислоти, відщепленні зайвих амінокислотних залишків, введенні .п. На цьому етапі відбувається мимовільна структурна перебудова, під час якої білок приймає свою просторову конформацію.
Бібліогр.: Збарський І.Б. та ін Білки, БМЕ, 3-тє вид., Т. 3, с. 9, М., 1976; Ленінджер А.Л. Основи біохімії пров. з англ., т. 1-3, М., 1985.