Белки

I Белки́ (протеины)

органические соединения, структурной основой которых служит полипептидная цепь, состоящая из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями (—СО—NH₂—) в определенной последовательности. Белки являются главными компонентами всех организмов, обеспечивающими выполнение важнейших процессов жизнедеятельности. В основном все Б. построены из 20 стандартных аминокислот (Аминокислоты) и отличаются друг от друга лишь последовательностью соединения аминокислотных звеньев, что допускает, однако, возможность существования огромного множества разнообразных белков. Полипептидная цепь всех Б. на одном конце имеет NH₂-группу (N-конец), а на другом — СООН-группу (С-конец). Молекулы некоторых белков состоят из нескольких полипептидных цепей.

Так называемые сложные белки помимо аминокислот содержат простетическую группу, необходимую для выполнения белком его биологической функции. В зависимости от химической природы простетических групп различают несколько классов сложных белков (табл.). Ковалентные взаимодействия между аминокислотными остатками в полипептидной цепи и между белковой частью молекулы и простетической группой сложного Б. определяют так называемую первичную структуру белка, от которой зависят все его свойства. Первичная структура каждого белка закодирована в геноме (см. Ген). Замена хотя бы одной аминокислоты в полипептидной цепи в результате генетической мутации или по другой причине может существенно изменить функциональные свойства Б. В ряде случаев такая замена может привести к развитию «молекулярного» заболевания. Так, серповидно-клеточная анемия (см. Анемии) развивается в результате генетически детерминированной замены остатка глутаминовой кислоты в 6-м положении β-цепи гемоглобина на остаток валина.

Таблица

Сложные белки и химическая природа их простетических групп

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Класс сложных           | Простетическая группа                  | Характерные представители   |

| белков                        |                                                      |                                               |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Липопротеины            | Липиды                                         | β₁-Липопротеин крови             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Гликопротеины           | Углеводы                                      | γ-Глобулин крови                    |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Фосфопротеины         | Фосфатные группы                        | Казеин молока                        |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Гемопротеины            | Гем (комплексное соединение       | Гемоглобин, цитохромы          |

|                                   | железа с протопорфирином)          |                                               |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Флавопротеины          | Флавиновые нуклеотиды               | Сукцинатдегидрогеназа          |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Металлопротеи-ны      | Металлы: Fe, Zn и др.                   | Ферритин,                               |

|                                   |                                                      | алкогольдегидрогеназа           |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Полипептидные цепи Б. свертываются в пространстве определенным образом, вследствие чего возникает характерная для данного типа Б. так называемая вторичная структура. Теоретически полипептидные цепи в пространстве могут образовывать бесконечное число структур, однако в нормальных условиях каждый белок, как правило, принимает единственную, специфическую для этого белка конформацию, определяемую и поддерживаемую боковыми группами атомов, а также жесткостью и трансконфигурацией пептидных связей. Основными устойчивыми и упорядоченными конформациями полипептидных цепей являются правая α-спираль и β-структура. В α-спирали полипептидный остов формирует плотные витки с шагом длиной в 3,6 аминокислотных остатка (около 0,54 нм) вокруг длинной оси молекулы, а боковые группы атомов аминокислот выступают наружу. Витки этой спирали стабилизируются водородными связями, образуемыми атомами водорода у пептидного азота и противостоящими электроотрицательными атомами кислорода карбонильных (СО—) групп. α-Спираль — простейшая форма организации полипептидной цепи, образуется всегда, когда тому нет препятствий. Препятствуют формированию α-спирали участки полипептидной цепи, содержащие большое количество близко расположенных друг к другу остатков глутаминовой кислоты лизина или аргинина, имеющих заряженные боковые группы атомов, склонные к взаимному отталкиванию. Мешают α-спирализации также соседствующие аминокислоты с громоздкими боковыми группировками (аспарагин, греонин, лейцин), а также пролин, в молекуле которого атом азота входит в состав гетероциклической группировки и не связан с водородом. Молекула тропоколлагена (субъединицы коллагена) состоит из трех сплетенных полипептидных цепей. Тройная спираль тропоколлагена стабилизируется поперечными водородными и ковалентными связями, образуемыми остатками лизина соседних полипептидных цепей. Расположенные рядом тройные спирали соединены между собой поперечными связями. Коллагеновая спираль уникальна и не встречается ни в каких других белках. Особого типа спираль обнаружена также в молекуле белка тропоэластина. Эта спираль обладает удивительным свойством растягиваться при натяжении и возвращаться к исходной длине при снятии нагрузки.

В случае β-конформации остов полипептидной цепи имеет не спиральную, а плоскую зигзагообразную структуру, внутри которой водородные связи отсутствуют. Такие β-структуры образуются только тогда, когда в составе полипептидной цепи оказываются аминокислоты с небольшими боковыми группировками (глицин, аланин), расположенные в определенной последовательности. β-Конформация характерна для молекул β-кератина, фиброина шелка и др. Белки, у которых вторичная структура представляет собой конечную ступень организации молекулы (так называемые фибриллярные белки), имеют нитевидную форму и нерастворимы в воде. Помимо фибриллярных существует большая группа глобулярных Б., у которых полипептидные цепи свернуты в плотную компактную сферу, или глобулу, определяющую третичную структуру Б. Гидрофобные группировки глобулярных Б., как правило, оказываются внутри глобулы, что обеспечивает растворимость таких Б в воде. Свертывание полипептидных цепей и образование петель происходит из-за наличия в цепях деспирализованных участков, состоящих из аминокислот, не допускающих образования α-спиралей. т.е. этот процесс также предопределен первичной структурой белка. Третичная структура белковой молекулы в отличие от вторичной стабилизируется химическими связями, например дисульфидными (S—S-связями), возникающими между дальними участками полипептидной цепи. Часто эта стабилизация осуществляется благодаря взаимодействию боковых группировок соседних петель. При искусственном разрушении третичной структуры (денатурации) белок, как правило, утрачивает свою биологическую активность, однако некоторые глобулярные Б. способны претерпевать обратимые изменения своей конформации в процессе выполнения специфических функций (например, гемоглобин, ферментные Б.).

Наивысшим по сложности структурным образованием Б. является их четвертичная структура, возникающая при группировании в пределах одной молекулы нескольких полипептидных цепей (субъединиц). Б., состоящие из двух и более субъединиц, называют олигомерными. Так, например, функционально активные молекулы фермента гексокиназы состоят из 2 или 4 субъединиц, гемоглобина — из 4 субъединиц, аспартат-карбамоилтрансферазы — из 12 субъединиц.

В соответствии с биологическими функциями различают Б. структурные, сократительные и двигательные, защитные, транспортные, регуляторные, ферментные, пищевые и запасные. Структурные Б. образуют волокна, навитые друг на друга либо уложенные плоским слоем. Они выполняют опорную или защитную функцию, скрепляя биологические структуры и придавая им прочность. Наиболее важными в этой группе Б. являются фибриллярные белки Коллагены, составляющие основу хрящей, сухожилий и кожи. Волосы и ногти состоят, в основном, из нерастворимого фибриллярного белка кератина, связки содержат фибриллярный белок эластин, способный растягиваться в двух направлениях. Сократительные Б. придают клеткам и организмам способность сокращаться, изменять форму и передвигаться. Так, актин и миозин составляют основу скелетных мышц, тубулин обеспечивает подвижность ресничек и жгутиков, при помощи которых передвигаются отдельные клетки. Защитные Б. — антитела — распознают проникшие в организм чужеродные белки, вирусы, микроорганизмы и, образуя с ними комплекс антиген — антитело, нейтрализуют их. Фибриноген и тромбин — Б. свертывающей системы крови защищают организм от потери крови при повреждении сосудов. Транспортные Б. плазмы крови образуют комплексы с отдельными молекулами или ионами и разносят их по организму: гемоглобин — кислород, липопротеины — липиды, альбумины — микроэлементы. витамины, гормоны. В клеточных мембранах имеются специфические белки-переносчики, транспортирующие в клетку и обратно глюкозу и разнообразные биологически активные соединения. Регуляторные Б. участвуют в регуляции клеточной или физиологической активности. Белково-пептидные гормоны, например, регулируют обмен глюкозы (инсулин), рост (соматотропный гормон, или гормон роста), транспорт ионов Са²⁺ и фосфатов (паратгормон) и др. Самый многообразный и специализированный класс Б. составляют Ферменты, катализирующие практически все химические реакции, протекающие в организме. К пищевым Б. относят Б., содержащие в своем составе богатый набор разнообразных аминокислот, в т.ч. незаменимых. Некоторые Б., например казеины молока и их гидролизаты, используют для парентерального питания больных.

Классифицировать Б. можно по множеству признаков, в связи с чем одни и те же белки зачастую попадают в разные классы. Как правило, Б. группируют по их физико-химическим свойствам, а также по локализации. Так, по электрофоретической подвижности, растворимости в воде и в растворах сульфата аммония (NH4)₂SO₄ в сыворотке крови и других биологических жидкостях различают альбумины и глобулины, в клейковине семян злаков — глютелины и проламины (глиадин, зеин, гордеин). В отдельную группу выделяют протамины, низкомолекулярные белки, обнаруживаемые в сперме животных и некоторых рыб, более чем наполовину состоящие из диаминомонокарбоновых аминокислот, а также похожие на протамины белки гистоны, находящиеся в ядрах клеток в комплексе с ДНК, Структурные фибриллярные белки коллаген, фиброин, эластин, кератин относят к классу склеропротеинов; гликопротеины, содержащие в своем составе кислые Гликозаминогликаны, иногда называют мукопротеинами (муцины и мукоиды синовиальной жидкости и слизей).

Биосинтез Б. происходит на специальных органеллах клеток — рибосомах и протекает в четыре основных этапа. Предварительно каждая из необходимых для синтеза полипептидной цепи белка аминокислота активируется в цитоплазме с помощью специфической аминоацил-тРНК — синтетазы (аминокислота-транспортная РНК — синтетазы), использующей для этого энергию АТФ (см. Макроэргические соединения). Вначале происходит инициация полипептидной цепи. При этом матричная, или информационная, РНК (мРНК), содержащая информацию о синтезируемом полипептиде, связывается с малой субчастицей рибосомы (см. Клетка), а затем с тРНК, несущей так называемую инициирующую аминокислоту, которая взаимодействует с особым кодоном (триплетом) мРНК, сигнализирующем о начале полипептидной цепи (см. Нуклеиновые кислоты). Инициирующей аминокислотой у всех эукариот (высших организмов) является метионин. В процессе инициации полипептидной цепи принимают участие гуанозинтрифосфат и три специфических белка, называемых факторами инициации (IF-1, IF-2, IF-3). На втором этапе синтеза белка — элонгации (удлинении цепи) рибосома перемещается вдоль мРНК с одного кодона на другой и полипептидная цепь удлиняется, начиная с N-конца, за счет последовательного присоединения аминокислот, доставляемых тРНК. «Рост» полипептида осуществляется при помощи находящихся в цитозоле белковых факторов элонгации — Tu, Ts, и G. После завершения синтеза полипептида, о чем сигнализирует терминирующий кодон мРНК (УАА, УАГ или УГА), происходит высвобождение полипептидной цепи из рибосомы (третий этап) при участии особых факторов — факторов терминации — R₁, R₂, S. На четвертом этапе биосинтеза белок претерпевает так называемую посттрансляционную модификацию, или процессинг, заключающуюся в удалении инициирующей аминокислоты, отщеплении лишних аминокислотных остатков, введении простетических и других группировок, фосфорилировании, метилировании и т.п. На этом же этапе происходит самопроизвольная структурная перестройка, в ходе которой белок принимает свою пространственную конформацию. Многие Б. содержат на N-конце полипептидной цепи сигнальную последовательность аминокислот, с помощью которой вновь синтезированный белок доходит до места своего назначения, например в цистерны эндоплазматического ретикулума, где сигнальная последовательность аминокислот отщепляется с помощью специфических пептидаз.

По своим электрохимическим свойствам Б., как и аминокислоты, являются амфолитами. Они содержат кислотные, а также основные группировки и меняют суммарный заряд в зависимости от величины рН среды. При величине рН, равной изоэлектрической точке белка, заряд белка становится равным 0, и белок теряет способность растворяться в воде. Растворимость Б. снижается или полностью утрачивается также при разрушении гидратных оболочек вокруг белковых молекул. Дегидратацию белков вызывают высокие концентрации солей одновалентных катионов, например (NH₄)₂SO₄, и органические растворители, смешивающиеся с водой. Осаждение Б. высаливанием не приводит к их денатурации и часто используется для очистки или выделения Б. в кристаллическом виде. Нагревание растворов Б. до высокой температуры (выше 60°), а также осаждение солями тяжелых металлов и органическими кислотами — сульфосалициловой, хлорной, трихлоруксусной — вызывают коагуляцию Б. и выпадение их в виде нерастворимого осадка. Подобную обработку растворов Б., особенно их осаждение 5—10% трихлоруксусной кислотой, применяют для удаления белков из растворов и биологических жидкостей, в т.ч. с целью последующего анализа безбелковых фильтратов.

Наиболее специфичным методом анализа Б. является реакция на пептидные связи, так называемая биуретовая реакция, заключающаяся в образовании фиолетового окрашивания при инкубации пептидов или биурета (H₂N—СО—NH—СО—NH₂) с ионами меди в щелочной среде. Эта реакция в сочетании с реакцией Фолина на тирозин лежит в основе наиболее распространенного метода количественного определения Б., предложенного в 1951 г. Лаури (О.Н. Lowry) с соавторами. Во многих автоматических анализаторах, используемых в медицине и пищевой промышленности, содержание Б. оценивается по количеству элементарного азота, образующегося после сжигания белковых осадков (метод Кьельдаля). Для определения Б. используются также ксантопротеиновая проба — развитие желтого окрашивания при воздействии концентрированной азотной кислоты, реакция Миллона — развитие ярко-красного окрашивания при взаимодействии солей ртути и азотистой кислоты с ОН-группой тирозина белка, специфическая реакция Адамкевича на триптофан и др. В клинико-диагностических лабораториях иногда применяют качественные пробы на белок, например пробу Ривальты, заключающуюся в образовании мутного белкового осадка в растворе уксусной кислоты при величине рН ниже изоэлектрической точки белка. Проба Ривальты позволяет отличать экссудат, содержащий более 3% белка, от транссудата, а также диагностировать появление Б. в цереброспинальной жидкости. Относительное содержание альбуминов и глобулинов в сыворотке крови можно оценивать нефелометрическим методом Русняка. Метод основан на различной растворимости этих белков в 50% растворе сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ — глобулины в таком растворе теряют растворимость и вызывают помутнение раствора в нейтральной среде, а альбумины (вместе с глобулинами) — только в кислой. Для гистохимического анализа Б. используют реакции, в результате которых образуются нерастворимые окрашенные осадки (метод Маллори, орсеин-пикрофуксиновый метод), а также иммунологические методы с мечеными антителами.

В норме в сыворотке крови концентрация белка, определенная унифицированным в СССР биуретовым методом, составляет 65—85 г/л (6,5—8,5 г/100 мл); концентрация альбуминов в сыворотке крови (по унифицированному в СССР определению с бромкрезоловым зеленым) составляет 35—50 г/л (3,5—5,0 г/100 мл). Относительное содержание белковых фракций в сыворотке крови (при окраске бумажных электрофореграмм бромфеноловым синим, амидочерным, азокармином Б и др.) равно: альбуминов — 50—70%, α₁-глобулинов — 3—6%, α₂-глобулинов — 9—15%, β-глобулинов — 8—18%, γ-глобулинов — 15—25%.

В цереброспинальной жидкости (ликворе) содержание белка, определенное унифицированным методом с сульфосалициловой кислотой и сульфатом натрия, составляет: в ликворе из желудочков мозга — 0,12—0,2 г/л, из большой цистерны — от 0,1 до 0,22 г/л, при люмбальной пункции — от 0,22 до 0,33 г/л. Величина альбумин-глобулинового коэффициента в ликворе колеблется в пределах 0,2—0,3.

Библиогр.: Збарский И.Б. и др. Белки, БМЭ, 3-е изд., т. 3, с. 9, М., 1976; Ленинджер А.Л. Основы биохимии пер. с англ., т. 1—3, М., 1985.

II Белки́ (бело́к)

полимеры, состоящие из аминокислот, соединенных в определенной последовательности пептидной связью; основная и необходимая составная часть всех организмов.

Бело́к ацилперенося́щий — Б., участвующий в биосинтезе высших жирных кислот в комплексе с трансацилазами и окислительными ферментами; представляет собой полипептид с мол. массой 10 000, ковалентно связанный через остаток серина с 4-фосфопантотеином.

Белки́ вирусиндуци́руемые — Б., образующиеся в инфицированных вирусом клетках.

Белки́ ви́русные неструкту́рные — вирусоспецифические Б., не входящие в состав вириона, но принимающие участие в репродукции вируса; образуются в инфицированных вирусом клетках.

Белки́ ви́русные структу́рные — вирусоспецифические Б., входящие в состав вириона; некоторые Б. в. с. обладают ферментативной активностью.

Белки́ вирусоспецифи́ческие — Б., информация для синтеза которых закодирована в вирусном геноме.

Белки́ запасны́е — Б. организма, используемые им при недостаточном поступлении белков с пищей; содержатся главным образом в печени и мышцах.

Белки́ неусвоя́емые — пищевые Б., не гидролизуемые ферментами пищеварительных соков и не ассимилируемые организмом человека.

Бело́к о́бщий — гигиенический показатель: содержание Б. в продукте питания, рассчитываемое по результатам определения в нем азота.

Белки́ пищевы́е — Б., входящие в состав пищевых продуктов.

Белки́ просты́е — см. Протеины.

Белки́ сло́жные — см. Протеиды.

Бело́к С-реакти́вный — бета-глобулин, обнаруживаемый в сыворотке крови при некоторых воспалительных, дистрофических и опухолевых заболеваниях.

Белки́ усвоя́емые — пищевые Б., расщепляемые ферментами пищеварительных соков до аминокислот и используемые организмом для пластических и энергетических целей.