Рівні організації білкових молекул

Макромолекули. Білки

Білки, їх властивості, структура

Білки – це високомолекулярні біополімерні органічні сполуки, мономерами яких є амінокислоти. Білки були виділені в окремий клас біологічних молекул у XVIII ст.. в результаті робіт французького хіміка А. де Фуркруа. Вперше описав білки і запропонував назву протеїни, що в сучасному розумінні означає білок, голандський хімік Є. Я. Берцеліус. Перше виділення білка ( у вигляді клейковини) з пшеничного борошна було здійснено Я. Беккарі. Особливістю досліджень білків початку XXI ст. є одночасне отримання даних про білковий склад цілих клітин, тканин або організмів, чим займається окрема наука – протеоміка.

Молекулярна маса білківвід 5 000 до 150 000 Да і більше. Одним із найбільших одиничних білків є тітін ( компонент саркомерів м'язів), що містять понад 29 тис. амінокислот і має молекулярну масу 3 000 000 Да. Але найбільші за масою білки (понад 40 000 000 Да) характерні для вірусів.

Хімічний склад.Складаються білки з С, Н, О, N;у деяких білках є S,частина білків утворює комплекси з іншими молекулами, які мстять P, Fe, Zn, Cu.Білки є біополімерами з 20 різних мономерів – природніх основних амінокислот. Білки можуть утворювати інтерполімерні комплекси з вуглеводами, ліпідами, нуклеїновими кислотами, фосфорною кислотою та ін.

Фізико-хімічні властивості.Завдяки наявності вільних аміногруп і карбоксильних груп білки характеризуються всіма властивостями кислот і основ (амфотерні властивості). Дисоціація аміно- і карбоксильних білкових груп обумовлює електрофоретичну рухливість білків. При низьких значеннях рН білкового розчину в ньому переважають позитивно заряджені аміногрупи, тому білки перебувають в катіонній формі. При низьких значеннях рН білкового розчину в ньому переважають позитивно заряджені аміногрупи, тому білки перебувають в катіонній формі. При високих значеннях рН переважають негативно заряджені СООН-групи і білки будуть перебувати в аніонній формі. При деякому проміжному значенні рН аміногрупи і карбоксильні групи можуть взаємодіяти між собою, тоді сума зарядів дорівнює нулю, і білки залишаються нерухомими в електричному полі (електричні властивості). Висока молекулярна маса надає білковим розчинам властивостей, характерних для колоїдних систем, а саме: здатність до утворення гелів, висока в'язкість, мала швидкість дифузії, високий ступінь набрякання, завдяки чому вони зв'язують близько 80-90% усієї оди в організмі (колоїдні властивості). Розпад білків відбувається під дією кислот, лугів або специфічних ферментів-гідролаз, які розщеплюють їх до пептидів і амінокислот. Синтез здійснюється із амінокислот за матричним принципом за допомогою інформаційної РНК. Під впливом різних чинників білки можуть зсідатись і випадати в осад, втрачаючи природні властивості. Відсутність заряду і гідратної оболонки сприяє зближенню білкових молекул, їх злипанню і випаданню в осад. Це явище називається коагуляцією, вона може бути зворотною і незворотною. Незворотну коагуляцію можна розглядати як денатурація білків.

Денатурація –це процес порушення природної структури білків. При цьому зменшується розчинність білка, змінюється форма і розміри молекул тощо. Процес денатурації є оборотним, тобто повернення нормальних умов супроводжується відновленням природної структури білка. Такий процес називається ренатурацією. Звідси випливає, що особливості білка визначаються його первинною структурою. А ось процес руйнування первинної структури білків завжди необоротний, він називається деструкцією. Властивості білків залежать від структури, складу і послідовності розташування амінокислот.

Структура білків.Молекули білків є лінійними полімерами, що складаються з амінокислот. Крім послідовності амінокислот поліпептидного ланцюга (первинна структура), для функціонування білків украй важлива тривимірна структура (вторинна, третинна і четвертинна), яка утримується в результаті взаємодії структур нижчих рівнів і формується в процесі згортання білків. Тривимірна структура білків за нормальних природних умов, при яких білки виконують свої біологічні функції , називається нативним станом білка, а сама структура – нативною конформацією.

Виділяють чотири рівні структури білків.

Рівні організації білкових молекул

Первинна структура кодується відповідним геном, є специфічною для кожного окремого білка і найбільшою мірою визначає властивості сформованого білка. Вторинна структура являє собою форму спіралі ( або структуру складчастого листка ( і є термі динамічно найстійкішим станом поліпептидного ланцюга та найпростішою структурою конформації біомолекул. Прикладом білків з вторинною структурою у вигляді спіралі є білки – кератину (утворюються волосся, нігті, пір'я тощо) і у вигляді складчастого листка – фібріон (білок шовку) . У вторинній структурі . Третинна структура виникає автоматично в результаті взаємодії амінокислотних залишків з молекулами води. При цьому гідрофобні радикали «втягуються» всередину білкової молекули, а гідрофільні групи орієнтуються в бік розчинника. У такий спосіб формується компактна молекула білка, усередині якої практично відсутні молекули води. До білків з третинною структурою відносять міоглобін. Четвертинна структура виникає внаслідок поєднання кількох субодиниць (промомерів), що разом виконують спільну функцію. Таке поєднання називається білковим комплексом (мультимером, або епімером). Типовими білками четвертинної структури є гемоглобін, ВТМ, деякі ферменти.

Кінцева структура буває дуже складною, а процес її прийняття ново синтезованим поліпептидним ланцюжком вимагає деякого часу. Процес прийняття білком структури називається згортанням, або холдингом. Багато білків не здатні завершити згортання самостійно і досягти нативного стану, часто через взаємодію з іншими білками клітини. Такі білки вимагають зовнішньої допомоги від білків спеціального класу – молекулярних шаперонів. Більшість білків набуває правильної конформації лише у певних умовах середовища. При зміні цих умов білок денатурує, змінюючи свою конформацію. Чинниками, що спричинять зміну конформації білків, є нагрівання, випромінювання, сильні кислоти, сильні основи, концентровані солі, важкі метали, органічні розчинники тощо.

Види хімічних зв'язків у білках.Амінокислоти здатні утворювати ряд хімічних зв'язків (пептидні, дисульфідні, водневі, йонні, гідрофобні) з різними функціональними групами, і ця їхня властивість є дуже важливою для структури та функцій білків.

Пептидний зв'язок – це ковалентний нітроген-карбоновий полярний зв'язок, який утворюється при взаємодії однієї амінокислоти з СООН іншої з виділенням води. Це кислотоамідний зв'язок (-СО-NH-) є основним хімічним зв'язком білкових молекул і визначає їх первинну структуру та конформацію. Сполука, що утворюється в результаті конденсації двох амінокислот, є дипептидом. На одному кінці цієї молекулирозташована аміногрупа, на іншому – вільна карбоксильна. Завдяки цьому дипептид може приєднувати до себе інші амінокислоти.

Дисульфідний зв'язок – це ковалентний полярний зв'язок, який утворюється при взаємодії сульфгідрильних груп (-SH) радикалів сірковмісної амінокислоти цистеїну. Цей зв'язок ( -S-S-) може виникати як між різними ділянками одного поліпептидного ланцюга, так і між різними ланцюгами, визначаючи особливості білкових молекул. Стійкість багатьох білків значною мірою обумовлена кількістю саме цих зв'язків, які ніби «прошивають» молекули, надаючи їм міцності, нерозчинності (наприклад, у колагену шкіри, кератину волосся, шерсті).

Водневий зв'язок – це полярний зв'язок, який виникає при взаємодії електропозитивного Гідрогену з електронегативним Оксигеном у складі гідроксильної, карбоксильної та амінної груп різних амінокислот. Ці зв'язки (-О-Н-) набагато слабші, ніж пептидні, дисульфідні та йонні, але в силу своєї кількості (виникають між групами, яких найбільше в молекулах білків) вони набувають дуже великого значення в стабілізації структури білкових молекул.

Йонний зв'язок – це електростатичний полярний зв'язок, який виникає між іонізованою позитивно зарядженою аміногрупою однієї амінокислоти та іонізованою негативно зарядженою карбоксильною групою іншої амінокислоти. Цей сольовий зв'язок (-С) може об'єднувати як витки одного і більше поліпептидних ланцюгів у білках третинної структури, так і витки різних ланцюгів у білках четвертинної структури. У водному середовищі йонні зв'язки значно слабкіші, ніж пептидні, і можуть розриватися при зміні рН.

Гідрофобний зв'язок – це неполярний зв'язок між радикалами амінокислот, які несуть електричного заряду і не розчиняються у воді. Зближення цих радикалів обумовлено характером взаємодії гідрофобних груп ( і т. д.) з водою. Ці зв'язки (-R-R-) ще слабкіші, ніж водневі, вони підтримують третинну і четвертинну структуру білків.

Гкмоглобін (від грец. haima – кров і лат. globus – куля) – складний залізовмісний білок еритроцитів тварин і людини; здатний зв'язуватися з киснем, забезпечуючи його перенесення до тканин. Крім того, гемоглобін здатний зв'язувати в тканинах невелику кількість і звільняти його в легенях. Гемоглобін є складним білком класу хромопротеїдів і містить: 1) білкову частину – глобін, яка складається з чотирьох протоммерів – двох ідентичних і двох ідентичних 2) небілкову частину – гем, яка представлена чотирма простетичними групами з координаційним центром у вигляді . Поєднуються субодиниці водневими, йонними зв'язками, але основний внесок у цю взаємодію вносять гідрофобні взаємодії. Нормальним вмістом гемоглобіну в крові людини вважається: у чоловіків – 130-170 г/л, у жінок – 120-150 г/л; у дітей – 120-140 г/л. Гемоглобін високо токсичний при потраплянні значоної його кількості з еритроцитами у плазму крові (наприклад, при переливанні несумісної крові). Зважаючи на високу токсичність вільного гемоглобіну, в організмі існують спеціальні системи для його зв'язування і знешкодження. Зокрема, одним з компонентів, що специфічно зв'язує вільний глобін у складі гемоглобіну.

Різноманітність та біологічне значення білків

Різноманітність білків. Білки поділяють за властивостями (кислі, нейтральні, основні, гідрофільні, гідрофобні, амфіфільні), походженням (рослинні, тваринні, бактеріальні, вірусні), структурою (глобулярні, фібрилярні, проміжні), функціями (структурні, захисні та ін.), будовою (прості й складні) тощо. За структурою білки поділяються на:

1. Глобулярні білки – білки з третинною структурою, розчинні у воді, легко утворюють колоїдні суспензії (є ферментами, антитілами, гормонами, утримують воду в цитоплазмі).

2. Проміжні білки – це фібрилярні білки, але розчинні у воді (наприклад, фібриноген).

3. Фібрилярні – білки з вторинною структурою, утворюють волокна (фібрили), нерозчинні у воді, стійкі до впливів (виконують структурні функції, наприклад, колаген, міозин, фіброїн, кератин).

За хімічним складом

I. Прості білки – протеїни (складаються з амінокислот).

§ Альбуміни – глобулярні гідрофільні білки з підвищеним вмістом лейцину; входять до складу цитоплазми клітин, рідин організму (наприклад, овальбумін, лактоальбумін, лейкози, легумелін у рослин).

§ Глобіліни – глобулярні гідрофобні рослинні й тваринні білки; з них утворюються антитіла ( вони здійснюють перенесення йонів к плазмі (трансфери – йони Феруму, церулоплазмін – йони Купруму).

§ Гістони – глобулярні гідрофільні основні білки з підвищеним вмістом аргініну й лізину; беруть участь у забезпеченні організації ДНК у хромосомах.

§ Склеропротеїни – фібрилярні гідрофобні тваринні білки з великою кількістю сірковмісних амінокислот; входять до складу сполучної й епітеліальної тканин та забезпечують механічну функцію (кератин, колаген, еластин, склеротин, фіброїн).

I. Складні білки – протеїди (складаються з білкової та небілкової частин).

Ø Фосфопротеїди – небілкова група містять (наприклад, казеїн молока).

Ø Глікопротеїди – білкова частина поєднується з вуглеводом (наприклад, муцин слини).

Ø Нуклеопротеїди – білок з нуклеїновою кислотою (наприклад, рибосоми, хромосоми).

Ø Хромопротеїди – простетичною групою виступає пігмент (наприклад, гемоглобін, хлорофіл).

Ø Ліпопротеїди – білкова частина поєднується з ліпідами (наприклад, транспортна форма ліпідів в крові).

Біологічне значення. Головна характеристика білків, що дозволяє їм виконувати різноманітний набір функцій – здатність специфічно та щільно зв'язуватися з іншими молекулами. Ділянки білків, що відповідають за таке зв'язування, називаються ділянками зв'язування. Вони часто мають вигляд вигину або «кишені» на поверхні молекули. Ця здатність до зв'язування опосередкована третинною структурою білка, яка визначає розташування кишень зв'язування, і хімічними властивостями амінокислот навколишніх бічних ланцюгів. Функції білків у клітині різноманітніші, ніж функції інших макромолекул. Основними з них є:

1) Будівельна – білки є будівельним матеріалом для багатьох структур (наприклад, колаген є компонентом сполучних тканин, кісток, хрящів, кератин будує пір'я, нігті, волосся, роги, еластин - зв'язки);

2) Каталітична – білки-ферменти прискорюють хімічні реакції (наприклад, трипсин каталізує гідроліз білків);

3) Рухова – скоротливі білки забезпечують рухи, зміну форми структур організму (наприклад, міозин утворює рухливі нитки міофібрил м'язів, актин – нерухливі нитки в цих самих міофібрилах);

4) Транспортна – білки можуть зв'язувати і транспортувати неорганічні та органічні сполуки (наприклад, гемоглобін переносить в крові хребетних, міоглобін переносить в м'язах , гемо ціанін переносить в крові деяких безхребетних );

5) Захисна – білки здійснюють захист від ушкоджень, антигенів тощо (наприклад, антитіла зв'язують чужорідні білки, фібриноген є попередником фібрину при зсіданні крові);

6) Регуляторна – білки регулюють активність обміну речовин (наприклад, гормони інсулін, глюкагон регулюють обмін глюкози, соматропін є гормоном росту);

7) Енергетична – при розщепленні білків у клітинах вивільняється енергія (1г = 17,2 кДж);

8) Сигнальна – є білки, які можуть змінювати свою структуру при дії на них певних чинника, і передавати сигнали, що при цьому виникають (наприклад , родопсин – здоровий пігмент);

9) Запасаюча – білки можуть відкладатися про запас в слугувати джерелом важливих сполук (наприклад, яєчний альбумін як джерело води, казеїн – білок молока);

10) Поживна – є білки, які споживають організмами (наприклад, казеїн – білок молока для живлення ссавців).

Існує багато білків, які розширюють перераховані вище функції білків. Білкову природу мають деякі антибіотики, отрути змій і павуків, бактеріальні токсини. У деяких арктичних риб у крові є білок, який виконує властивості антифризу – він не дає крові цих тварин замерзати.

Ферменти, їх властивості, різноманітність та значення

Ферменти ( від лат. fermentum – бродіння), або ензими (від грец. en – всередині, sume – закваска) – білкові сполуки, які є біологічними каталізаторами. Наука про ферменти називається ензимологією. Молекули ферментів є білками або рибонуклеїновими кислотами (РНК). РНК-ферменти називаються рибозимами і вважаються первісною формою ферментів, які були замінені білковими ферментами в процесі еволюції.

Структурно-функціональна організація. Молекули ферментів мають більші розміри, ніж молекули субстратів, і складну просторову конфігурацію, здебільшого глобулярної структури. Завдяки великим розмірам молекул ферментів виникає сильне електричне поле, у якому: а) ферменти набувають асиметричної форми, що послаблює зв'язки і обумовлює зміну їхньої структури; б) стає можливим орієнтація молекул субстрату. Функціональна організація ферментів пов'язана з наявністю активних і алостеричних (регуляторних) центрів. Активний центр – це особлива невелика ділянка молекули білка, яка може зв'язувати субстрат і забезпечувати таким чином каталітичну активність фермента. Активний центр – особлива невелика ділянка молекули білка, яка може зв'язувати субстрат і забезпечувати таким чином каталітичну активність фермента. Активний центр простих ферментів являє собою поєднання певних амінокислот ланцюга з утворенням своєрідної «кишені», у якій відбуваються каталітичні перетворення субстрату. У складних ферментів кількість активних центрів дорівнює кількості субодиниць, і ними є кофактори з прилягаючими до нього білковими функціональними групами. Крім активного центру, деякі ферменти мають алостеричний центр, який регулює роботу активного центру.

Властивості. Між ферментами і каталізаторами неорганічної природи існують певні спільні та відмінні ознаки. Спільним є те, що вони: а) можуть каталізувати лише термодинамічно можливі реакції і прискорюють лише ті реакції, які можуть відбуватися і без них, однак із меншою швидкістю; б) не використовуються під час реакції і не входять до складу кінцевих продуктів; в) не зміщують хімічної рівноваги, а лише прискорюють її настання. Для ферментів характерні і деякі специфічні властивості, яких не мають неорганічні каталігатори.

Ферменти не руйнуються в реакціях, тому дуже мала їх кількість викликає перетворення великої кількості субстрату (наприклад, 1 молекула каталази маже розщепити за 1 хв понад 5 млн молекул Вони прискорюють швидкість хімічних реакцій за звичайних умов, але самі при цьому не витрачаються. Усе це разом обумовлює таку властивість ферментів, як висока біологічна активність. Оптимально дія більшості ферментів виявляється при температурі +37-40 З підвищенням температури активність ферментів знижується і згодом зовсім припиняється, а за +80 відбувається їхнє руйнування. За низьких температур (нижче 0 ферменти припиняють свою дію, але не руйнуються. Отже, для ферментів характерна термочутливість.

Ферменти виявляють свою активність концентрації йонів Н, тому говорять про рН-залежність. Оптимальна дія більшості ферментів спостерігається в середовищі, близькому до нейтрального.

Така властивість, як специфічність, або селективність виявляється в тому, що кожний фермент діє на певний субстрат, каналізуючи лише одну «свою» реакцію. Вибірковість дії ферментів визначається білковим компонентом.

Ферменти є каталізаторами з регульованою активністю, яка може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшуються або зменшують швидкість реакції, яка каталізується. У ролі активаторів виступають катіони металів, аніони кислот, органічні речовини, а інгібіторами – катіони важких металів та ін.. Цю властивість назвали урегульованістю дії (алостеричність). Ферменти утворюються лише тоді, коли виникає субстрат, який індукує його синтез (індуцибельність), а «відключення» дії ферментів, зазвичай, здійснюється надлишком продуктів асиміляції (репресибульність). Ферментативні реакції є зворотними, що обумовлено здатністю ферментів каталізувати пряму і зворотну реакцію. Так, наприклад, ліпаза може при певних умовах розщепити жир до гліцерину і жирних кислот, а також каталізувати його синтез із продуктів розпаду (зворотність дії).

Механізм дії. Для розуміння механізму дії ферментів на протікання хімічних реакцій важливими є теорія активного центру, гіпотеза «ключ-замок» та гіпотеза індукованої відповідності. Згідно з теорією активного центру, у молекулі кожного ферменту є одна або більше ділянок, у яких на рахунок тісного контакту між ферментом і субстратом відбувається біокаталіз. Гіпотеза «ключ-замок» (1890, Е. Фішер) пояснює специфічність ферментів відповідністю форми фермента (замок) і субстрата (ключ). Фермент поєднується із субстратом з утворенням тимчасового фермент-субстратного комплексу. Гіпотеза індукованої відповідальності (1958, Д. Кошланд). базується на твердженні про те, що ферменти є гнучкими молекулами, завдяки чому в них у присутності субстрату конфігурація активного центру зазнає змін, тобто фермент орієнтує свої функціональні групи так, щоб забезпечити найбільшу каталітичну активність. Молекула субстрату, приєднуючись до ферменту, також змінює свою конфігурацію для збільшення реакційної здатності.

Різноманітність. У сучасній ензимології відомо понад 3000 ферментів. Ферменти, як правило, класифікують за хімічним складом і за типом реакцій, на які вони впливають. Класифікація ферментів за хімічним складом включає прості та складні ферменти. Прості ферменти (однокомпонентні) – містять лише білкову частину. Більшість ферментів цієї групи можуть кристалізуватися. Прикладом простих ферментів є рибонуклеаза, гідролази (амілази, ліпази, протеази), уреаза та ін. Складні ферменти (двокомпонентні) – складаються з апофермента й кофактора. Білковий компонент, який визначає специфічність складних ферментів і синтезується, як правило, організмом та є чутливим до температури – це апофермент. Небілковий компонент, який визначає активність складних ферментів і, як правило, надходить в організм у вигляді попередників або в готовому вигляді, та зберігає стабільність за несприятливих умов, який визначає активність складних ферментів і, як правило, надходить в організм у вигляді попередників або в готовому вигляді, та зберігає стабільність за несприятливих умов, кофактором. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами ( наприклад, йони металів), так і органічними (наприклад, флавін). Органічні кофактори, які постійно зв'язані з ферментом, називають простетичними групами. Кофактори органічної природи, що здатні відділятися від ферменту, називають коферментами. Комплекс апофермента й кофактора називається холоферментом. Прикладом складних ферментів є оксидоредуктази (наприклад, каталаза), лігази ( наприклад, ДНК-полімераза, тРНК-синтетази), ліази та ін.

Ферментативні реакції поділяються на анаболітичні (реакції синтезу) і катаболітичні (реакції розпаду), а сукупність усіх цих процесів у живій системі називають метаболізмом. У межах цих груп процесів виділяють типи ферментативних реакцій, згідно з якими ферменти поділяють на 6 класів: оксидоредуктази, транчферази, гідролази, ліази, ізомерази та лігази.

1. Оксидоредуктази каналізують окислювально-відновні реакції (перенесення електронів та атомів Н від одних субстратів на інші).

2. Трансферази прискорюють реакції трансферації (перенесення хімічних груп від одних субстратів на інші).

3. Гідролази є ферментами реакцій гідролізу (розщеплення субстратів за участю води).

4. Ліази каналізують реакції не гідролітичного розпаду (розщеплення субстратів без участі води з утворенням подвійного зв'язку і без використання енергії АТФ).

5. Ізомерази впливають на швидкість реакцій ізомеризації (внетрішньомолекулярне переміщення різних груп).

6. Лігази каналізують реакції синтезу (поєднання молекул з використанням енергії АТФ і утворенням нових зв'язків).

Зазвичай фермент називають за типом реакції, яку він каталізує, додаючи суфікс –аза до назви субстрату (наприклад, лактаза – фермент, що бере участь у перетворенні лактози).

Значення.Ферменти забезпечують хімічні перетворення речовин унаслідок зниження енергії активації, тобто в зниженні рівня енергії, необхідної для надання реакційної здатності молекулі (наприклад, для розриву зв'язку між Нітрогеном і Карбоном у лабораторних умовах необхідно близько 210 кДж, тоді як у біосистемах на це витрачається лише 42-50 кДж). Ферменти наявні у всіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) на інші (продукти). Ензими виступають у ролі каталізаторів практично в усіх біохімічних реакціях, що відбуваються в живих організмах – ними каталізується близько 4000 хімічно окремих біореакцій. Ферменти відіграють найважливішу роль у всіх процесах життєдіяльності, скеровуючи та регулюючи обмін речовин організму. Ферменти широко використовуються в народному господарстві.