Обратимость денатурации

Удаление денатурирующих агентов диализом приводит к восстановлению конформации и функ­ции белка, т.е. кренативации (ренатурации).

В пробирке (in vitro) чаще всего это – необратимый процесс. Если же денатурированный белок поместить в условия, близкие к нативным, то он может ренатурировать, но очень медленно, и такое явление характерно не для всех белков.

In vivo, в организме возможна быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Такие специфические белки известны как «шапероны».

Белки —ша­пероны обладают способностью связы­ваться с частично денатурированными, находя­щимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии белками и восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны образуют комплекс, внутри которого находится полость. Белок, имеющий на своей поверхности фрагменты, обогащенные гидрофобными аминокислот­ными остатками, попадает в полость шаперонинового комплекса. В этой поло­сти в условиях изолированности от других молекул цитозоля клетки выбор возможных конформаций белка происходит до тех пор, пока не будет найдена энергетически наиболее выгодная конформация. Шаперонзависимое формирование нативной конформаций связано с расходованием значитель­ного количества энергии, источником которой служит АТР.

Классификации белков

Удовлетворительной универсальной классификации белков пока нет. Существующие классификации зачастую противоречат друг другу и имеют ограниченную ценность. Существуют системы классификации белков, основанные на их растворимости, конформации, химическому строению, по функциям.

По растворимости. Введена в 1907-1908 гг. Продолжает использоваться и до настоящего времени. Согласно этой классификации белки делятся на водорастворимые (альбумины), солерастворимые (глобулины), спирторастворимые (проламины) и нерастворимые (склеропротеины). Однако строго установленных границ между группами белков не существует.

По конформационной структуре: фибриллярные, глобулярные и мембраносвязанные. Примером мембраносвязанного белка является калий, натрий – АТФза.

По химическому строению: простые белки или протеины – состоят только из аминокислот, сложные белки - протеиды – помимо аминокислот имеют в составе небелковую часть (углеводы, липиды, металлы, нуклеиновые кислоты).

К простым белкам относятся: альбумины, глобулины, гистоны, протамины, склеропротеины (коллагены) и т.д.

Альбумины составляют большую часть белков плазмы крови. Благодаря высокому содержанию дикарбоновых аминокислот альбумины удерживают катионы и играют основную роль в сохранении коллоидно-осмотического давления. Также альбумины транспортируют некоторые гидрофобные метаболиты и лекарственные средства.

Глобулины – гетерогенная сложная смесь белковых молекул с большой молекулярной массой. Выполняют транспортную, защитную и другие функции. Глобулины часто содержат углеводную часть.

Гистоны – низкомолекулярные белки с высоким содержанием аргинина и лизина. Входят в состав хроматина.

Протамины – белки с очень большим содержанием аргинина. Образуют комплексы с ДНК, выступают как регуляторные и репрессорные белки.

Склеропротеины (коллагены) – фибриллярные белки. Пептидная цепь коллагена содержит около 1000 аминокислотных остатков, из которых каждая третья аминокислота – глицин, 20% составляют пролин и гидроксипролин, 10% аланин, 40% - остальные аминокислоты. Основная функция – структурный белок.

Сложные белки состоят из белковой части (апопротеин) и небелковой части (простетическая группа)и называются холопротеинами. К сложным белкам относятся:

1)Нуклеопротеиды – простетическая группа – нуклеиновые кислоты. Среди многочисленных классов нуклеопротеидов наиболее изученными являются рибосомы, состоящие из нескольких молекул РНК и рибосомных белков, и хроматин – основной нуклеопротеид эукариотических клеток, состоящий из ДНК и структурообразующих белков – гистонов.

2)Гемопротеиды - небелковый компонент этих протеидов – гем, построен из четырех пиррольных колец, с ними связан ион двухвалентного железа (через атомы азота). К таким белкам относятся: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Этот класс белков еще называют хромопротеиды, поскольку гем является окрашенным соединением. Функции гемоглобин – транспорт кислорода, функция миоглобина – запасание кислорода в мышцах. Функции цитохромов (ферменты) – катализ окислительно-восстановаительных реакций и электронный транспорт в дыхательной цепи.

3) Металлопротеиды – в состав простетической группы входят металлы. Примеры: цитохром а – содержит медь.

4) Липопротеиды – содержат липиды (триацилглицериды, фосфолипиды, холестерол)

5) Фосфопротеиды – содержат остаток фосфорной кислоты

6) Глюкопротеиды – содержат сахара (нейтральные сахара, аминосахара, кислые производные моносахаридов);

Функции белков (рис.5)

В любом живом организме содержатся тысячи белков, выполняющих разнообразные функции (рис ). Чтобы дать представление о многообразии белков, на схеме с увеличением примерно 1 х 1500000 приведен общий вид молекул (с соблюдением формы и размера) ряда вне- и внутриклеточных белков. Функции, выполняемые белками, распределяются примерно следующим образом.

Структурообразующие функции.Структурные белки отвечают за поддержание формы и стабильности клеток и тканей. В качестве примера структурного белка на схеме представлен фрагмент молекулы коллагена. В заданном масштабе целая молекула коллагена размером 1500000 • 300 нм заняла бы три страницы. К структурным белкам можно отнести также гистоны, функцией которых является организация укладки ДНК в хроматине. Структурные единицы хроматина, нуклеосомы, состоят из октамерного комплекса гистонов, на который навита молекула ДНК (DNA).

Рис. 5

Транспортные функции.Наиболее известным транспортным белком является гемоглобинэритроцитов (слева внизу), ответственный за перенос кислорода и диоксида углерода между легкими и тканями. В плазме крови содержатся множество других белков, выполняющих транспортные функции. Так, преальбуминпереносит гормоны щитовидной железы — тироксин и трииодтиронин, трансферрин переносит железо. Ионные каналыи другие интегральные мембранные белки осуществляют транспорт ионов и метаболитов через биологические мембраны.

Защитные функции.Иммунная система защищает организм от возбудителей болезней и чужеродных веществ. В качестве ключевого компонента этой системы здесь представлениммуноглобулин G, который на эритроцитах образует комплекс с мембранными гликолипидами.

Регуляторные функции.В биохимических сигнальных цепях белки осуществляют функции сигнальных веществ (гормонов) и гормональных рецепторов. В качестве примера здесь представлен комплекс гормона роста соматотропина с соответствующим рецептором. При этом внеклеточные (экстрацеллюлярные) домены двух молекул рецептора связывают одну молекулу гормона. Связывание с рецептором активирует цитоплазматические домены комплекса и тем самым обеспечивает дальнейшую передачу сигнала. В регуляции обмена веществ и процессов дифференцировки принимают решающее участие ДНК-ассоцированиые белки (факторы транскрипции).

Катализ.Среди белков наиболее многочисленную группу составляют ферменты. Самые низкомолекулярные из них имеют мол. массу 10-15 кДа. Белки среднего размера, как, например, приведенная на схеме алкогольдегидрогеназа, имеют мол.массу 100-200 кДа. Молекулярная масса высокомолекулярных ферментов, к которым относится глутаминсинтетаза, построенная из 12 мономеров, могут достигать 500 кДа. Эта функция в 1982 году перестала считаться уникальной. Выяснилось, что некоторые РНК тоже обладают каталитической активностью. Их называют РНКзимами или рибозиами.

Двигательные функции. Взаимодействие актина с миозином ответственно за мышечное сокращение и другие формы биологической подвижности. Миозин (слева) длиной 150 нм — один из наиболее крупных белков. Нитевидный актин (F-актин) образуется путем полимеризации относительно небольших молекул глобулярного актина (G-актин). Процессом сокращения управляют ассоциированный с F-актином тропомиозини другие регуляторные белки.

Запасные функции.В растениях содержатся запасные белки, явлющиеся ценными пищевыми веществами, например, глиадин - белок зерен пшеницы. В организмах животных мышечные белки служат резервными питательными веществами, которые мобилизуются при крайней необходимости. В молоке содержится белок казеин.

Опорная – сухожилия, поверхности суставов соединения костей образованы в значительной степени белками, например, коллаген, эластин.

Энергетическая – аминокислоты белков могут поступать на путь гликолиза, который обеспечивает клетку энергией.

Трансформация энергии. Белки сечатки глаза родопсин и ретинен трансформируют световую энергию в электрическую.

Любой белок - амфотерный полиэлектролит. Белки способствуют поддержанию определенных значений рН в разных отсеках клетки, обеспечивая этим компартментализацию.

Изофункциональные белки– это семейства белков, выполняющие одинаковую или близкую функцию, но имеющие небольшие особенности в строении, что придает им свои физиологические особенности. Например, гемоглобины человека.

Гемоглобин А — тетрамер: (2a2b). Составляет около 98% гемоглобина эритроцитов взрослого человека.

Гемоглобин А₂ — тетрамер (2a2d). Его содержа­ние в эритроцитах взрослого человека равно 2%.

Гемоглобин эмбриональный — тетрамер (2a2e). Обнаруживается на ранних этапах развития плода.

Гемоглобин F — тетрамер (2a2g). Приходит на смену раннему гемоглобину плода на 6-м месяце развития.

Таким образом, все типы гемоглобина содержат одинаковую a-цепь и различаются по второй цепи. Гемоглобины выполняют одну функцию – транспорт кислорода, но благодаря особенностям строения различаются по степени сродства к кислороду. У гемоглобина F сродство к кислороду выше, это обеспечивает диффузию кислорода от гемоглобина А крови матери к гемоглобину F плода.

Изобелки –это множественные формы белка, обнаруживаемые в организме одного вида. Например, коллагены.

Гомологичные белки –это белки, выполняющие одинаковые функции в организме разных видов.

Семейства родственных белков. В ходе эволюции в пределах одного и того же вида биохимические замены аминокислот могут приводит к возникновению разных белков, выполняющих сходные функции и имеющих незначительные различия по аминокислотной последовательности. Например, белки суперсемейства иммуноглобулинов (рис.6).

Иммуноглобулины (Ig), или антитела, являются семейством Y-образных (по пространственной структуре) гликопротеинов, у которых обе вершины («буквы Y») могут связывать антиген. Иммуноглобулины находятся в виде мембранных белков на поверхности лимфоцитов и в свободном виде в плазме крови. На схеме показана структура наиболее важного из них — иммуноглобулина класса G (IgG). Молекула представляет собой крупный тетрамер (Н₂L₂ с 150 кДа) из двух идентичных тяжелых цепей (Н-цепей) и двух идентичных легких цепей (L-цепей). В обеих H-цепях имеется ковалентно связанный олигосахарид.

Иммуноглобулины расщепляются протеиназой папаином на два F_ab-фрагмента и один F_c-фрагмент. Оба F_ab-фрагмента (от англ. antigen binding fragment — антиген-связывающий фрагмент) состоят соответственно из одной L-цепи и N-концевой части H-цепи. Изолированные F_ab-фрагменты сохраняют способность связывать антиген. F_с-Фрагмент (от англ. fragment crystallizable — способный кристаллизоваться) состоит из С-концевой половины обеих H-цепей. Эта часть IgG выполняет функции связывания с клеточной поверхностью, взаимодействия с системой комплемента и участвует в переносе антител клетками.

Рис. 6

Несмотря на большое разнообразие в иммуноглобулинах соблюдается общий принцип строения. Обе тяжелые пептидные цепи (Н-цепи) IgG состоят из четырех глобулярных доменов V_H, С_H1, С_H2 и С_H3, обе легкие (L- цепи) — из двух глобулярных доменов C_L и V_L. При этом буквы С и V соответственно обозначают константные (англ. constant) и вариабельные (англ. variable) области. Обе тяжелые цепи, а также тяжелая цепь с легкой, связаны дисульфидными мостиками. Дисульфидные мостики внутри доменов стабилизируют третичную структуру. Домены имеют длину около 110 аминокислот и обладают взаимной гомологией. Такая структура антител, очевидно, возникла благодаря дупликации гена.

В центральной области молекул иммуноглобулинов расположен шарнирный участок, который придает антителам внутримолекулярную подвижность.