Протеин

Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка.

Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют важную роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Белки — важная часть питания животных и человека, поскольку в их организме не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть из них поступает с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются при биосинтезе белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Определение аминокислотной последовательности первого белка — инсулина — методом секвенирования белков принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков гемоглобина и миоглобина были получены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в 1958 году^[1][2], за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.

История изучения

Антуан Франсуа де Фуркруа, основоположник изучения белков

Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работ французского химика Антуана Фуркруа и других учёных, в которых было отмечено свойство белков коагулировать (денатурировать) под воздействием нагревания или кислот. В то время были исследованы такие белки, как альбумин («яичный белок»), фибрин (белок из крови) и глютен из зерна пшеницы. Голландский химик Геррит Мульдер провёл анализ состава белков и выдвинул гипотезу, что практически все белки имеют сходную эмпирическую формулу. Термин «протеин» для обозначения подобных молекул был предложен в 1838 году сотрудником Мульдера Якобом Берцелиусом ^[3]. Мульдер также определил продукты разрушения белков — аминокислоты и для одной из них (лейцина) почти точно определил молекулярную массу — 131 дальтон. В 1836 Мулдер предложил первую модель химического строения белков. Основываясь на теории радикалов он сформулировал понятие о минимальной структурной единице состава белка, C₁₆H₂₄N₄O₅, которая была названа протеин (Pr), а теория — теорией протеина ^[4]. По мере накопления новых данных о белках теория неоднократно подвергалась критике, но до конца 1850-х оставалась общепризнанной.

К концу XIX века было исследовано большинство аминокислот, которые входят в состав белков. В 1894 году немецкий физиолог Альбрехт Коссель выдвинул теорию, согласно которой именно аминокислоты являются основными структурными элементами белков^[5]. В начале XX века немецкий химик Эмиль Фишер экспериментально доказал, что белки состоят из аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями. Он же осуществил первый анализ аминокислотной последовательности белка и объяснил явление протеолиза

Однако центральная роль белков в организмах не была признана до 1926 года, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии — лауреат Нобелевской премии) показал, что фермент уреаза была белком^[6].

Изучению белков препятствовала сложность их выделения. Поэтому первые исследования белков проводились с использованием тех полипептидов, которые могли быть очищены в большом количестве, то есть белков крови, куриных яиц, различных токсинов и пищеварительных/метаболических ферментов, которые можно было выделить в местах забоя скота. В конце 1950-х годов компания Armour Hot Dog Co смогла очистить килограмм бычьей панкреатической рибонуклеазы А, которая стала экспериментальным объектом для многих учёных.

Идея о том, что вторичная структура белков образуется в результате образования водородных связей между аминокислотами, была высказана Уильямом Астбери в 1933 году, но Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Позднее Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая Линдерстрём-Ланга, внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий. В 1949 году Фред Сенгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки — это линейные полимеры аминокислот, а не их разветвлённые (как у некоторых сахаров) цепи, коллоиды или циклолы. Первые структуры белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне отдельных атомов были получены в 1960-х годах и с помощью ЯМР в 1980-х годах. В 2006 году Банк данных о белках (Protein Data Bank) содержал около 40 000 структур белков.

В XXI веке исследование белков перешло на качественно новый уровень, когда исследуются не только индивидуальные очищенные белки, но и одновременное изменение количества и посттрансляционных модификаций большого числа белков отдельных клеток, тканей или организмов. Эта область биохимии называется протеомикой. С помощью методов биоинформатики стало возможно не только обработать данные рентгенно-структурного анализа, но и предсказать структуру белка, основываясь на его аминокислотной последовательности. В настоящее время криоэлектронная микроскопия больших белковых комплексов и предсказание малых белков и доменов больших белков с помощью компьютерных программ по точности приближаются к разрешению структур на атомном уровне.

Свойства

Сравнительный размер белков. Слева направо: Антитело (IgG), гемоглобин, инсулин (гормон), аденилаткиназа (фермент) и глютаминсинтетаза (фермент)

Размер белка может измеряться в числе аминокислот или в дальтонах (молекулярная масса), чаще из-за относительно большой величины молекулы в производных единицах — килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, в среднем, состоят из 466 аминокислот и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самый большой из известных в настоящее время белков — титин (другие названия: тайтин, коннектин) — является компонентом саркомеров мускулов; молекулярная масса его различных изоформ варьирует в интервале от 3 000 до 3 700 кДа, а общая длина 38 138 аминокислот (в человеческой мышце solius^[7]).

Белки также являются амфотерными полиэлектролитами (полиамфолитами), при этом группами, способными к ионизации в растворе, являются карбоксильные остатки боковых цепей кислых аминокислот (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и азотсодержащие боковых цепей основных аминокислот (в первую очередь ω-аминогруппа лизина и амидиновый остаток CNH(NH₂) аргинина, в несколько меньшей степени — имидазольный остаток гистидина). Белки как полиамфолиты характеризуются изоэлектрической точкой (pI) — кислотностью среды рН, при которой молекула данного белка не несёт электрического заряда и, соответственно, не перемещаются в электрическом поле (например, при электрофорезе). Величина pI определяется отношением кислотных и основных аминокислотных остатков в белке: увеличение количества остатков основных аминокислот в данном белке ведёт к увеличению pI; увеличение количества остатков кислых аминокислот приводит к снижению значения pI.

Значение изоэлектрической точки является характерной константой белков. Белки с pI меньше 7 называются кислотными, а белки с pI больше 7 считаются основными. В целом, pI белка зависит от выполняемой им функции: изоэлектрическая точка большинства белков тканей позвоночных лежит в пределах от 5,5 до 7,0, однако некоторых случаях значения лежат в экстремальных областях так, например, для пепсина — протеолетического фермента сильнокислого желудочного сока pI ~ 1^[8], а для сальмина — белка-протамина молок лосося, особенностью которого является чрезвычайно высокое содержание аргинина, pI ~ 12. Белки, связывающиеся с нуклеиновыми кислотами за счёт электростатического взаимодействия с фосфатными остатками нуклеиновых кислот часто являются основными белками. Примером таких белков служат гистоны и протамины.

По степени растворимости в воде белки бывают растворимыми (гидрофильные) и нерастворимыми (гидрофобные). К последним относятся большинство входящих в состав биологических мембран интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны ^[9].

Денатурация

Необратимая денатурация белка куриного яйца под воздействием высокой температуры

Основная статья: Денатурация белков

Как правило, белки сохраняют структуру и, следовательно, физико-химические свойства, например, растворимость в условиях, таких как температура и рН, к которым приспособлен данный организм^[6]. Резкое изменение этих условий, например, нагревание или обработка белка кислотой или щёлочью приводит к потере четвертичной, третичной и вторичной структур белка, называемой денатурацией. Самый известный случай денатурации белка в быту — это приготовление куриного яйца, когда под воздействием высокой температуры растворимый в воде прозрачный белок овальбумин становится плотным, нерастворимым и непрозрачным. Денатурация в некоторых случаях обратима, как в случае осаждения (преципитации) водорастворимых белков с помощью солей аммония, и используется как способ их очистки^[10].

Простые и сложные белки

Основные статьи: Простые белки, Сложные белки

Все белки разделяют на две большие группы — простые и сложные белки. Простые белки содержат только аминокислоты, сложные белки имеют также неаминокислотные группы. Эти дополнительные группы в составе сложных белков называются «простетическими группами». Примерами простетических групп в составе белков служат гем (в составе гемоглобина), витамины тиамин и биотин. Неорганические простетические группы состоят из ионов металлов — цинка, магния и молибдена ^[11] .

Структура белка

Схематическое изображение образования пептидной связи (справа). Подобная реакция происходит в молекулярной машине по образованию белка — рибосоме

Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из α-L-аминокислот (которые являются мономерами) и, в некоторых случаях, из модифицированных основных аминокислот (правда, модификации происходят уже после синтеза белка на рибосоме). Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одно- или трёхбуквенные сокращения. Хотя на первый взгляд может показаться, что использование в большинстве белков «всего» 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, на самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки всего из 5 аминокислот оно составляет уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислот (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10¹³⁰ вариантах. Белки длиной от 2 до нескольких десятков аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации — белками, хотя это деление весьма условно.

При образовании белка в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH₂) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (-СООН) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют С- и N- концом (в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты свободна: -COOH или -NH₂, соответственно). При синтезе белка на рибосоме новые аминокислоты присоединяются к C-концу, поэтому название пептида или белка даётся путём перечисления аминокислотных остатков начиная с N-конца.

Последовательность аминокислот в белке соответствует информации, содержащейся в гене данного белка. Эта информация представлена в виде последовательности нуклеотидов, причём одной аминокислоте соответствует одна или несколько последовательностей из трёх нуклеотидов — так называемых триплетов или кодонов. То, какая аминокислота соответствует данному кодону в мРНК определяется генетическим кодом, который может несколько отличаться у разных организмов.

Сравнение аминокислотных последовательностей белков (в данном случае — гемоглобинов) из разных организмов позволяет определять участки, важные для функционирования белков, а также эволюционную историю сравниваемых видов

Гомологичные белки (выполняющие одну функцию и, предположительно, имеющие общее эволюционное происхождение, например, гемоглобины) разных организмов имеют во многих местах цепи различные аминокислотные остатки, называемые вариабельными, в противоположность консервативным, общим остаткам. По степени гомологии возможна оценка эволюционного расстояния между таксонами, к которым принадлежат сравниваемые организмы.

Уровни структуры белков: 1 — первичная, 2 — вторичная, 3 — третичная, 4 — четвертичная

Уровни структуры белка

Кроме последовательности аминокислот полипептида (первичной структуры), крайне важна трёхмерная структура белка, которая формируется в процессе фолдинга (от англ. folding), «сворачивание»). Трёхмерная структура формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней. Выделяют четыре уровня структуры белка^[12]:

• Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — сочетания аминокислот, важных для функции белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним можно предсказать функцию неизвестного белка.
• Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Ниже приведены некоторые распространённые типы вторичной структуры белков:

• α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L), хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина, близкорасположенные аспарагин, серин, треонин и лейцин могут стерически мешать образованию спирали, пролин вызывает изгиб цепи и также нарушает α-спирали.
• β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны (антипараллельная ориентация). Для образования β-листов важны небольшие размеры R-групп аминокислот, преобладают обычно глицин и аланин.
• π-спирали;
• 3₁₀-спирали;
• неупорядоченные фрагменты.

Разные способы изображения трёхмерной структуры белка на примере фермента триозофосфатизомеразы. Слева — «палочковая» модель, с изображением всех атомов и связей между ними; цветами показаны элементы. В середине изображены структурные мотивы, α-спирали и β-листы. Справа изображена контактная поверхность белка, на основании Ван-дер-Ваальсовых радиусов атомов; цветами показаны особенности активности участков

Третичная структура 

 — пространственное строение полипептидной цепи — взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

• ковалентные связи (между двумя цистеинами — дисульфидные мостики);
• ионные (электростатические) взаимодействия (между противоположно заряженными аминокислотными остатками);
• водородные связи;
• гидрофобные взаимодействия.

Белки разделяют на группы согласно их трёхмерной структуре. Например, изображённый на картинке справа белок, триозофосфатизомераза, состоит из восьми α-спиралей, расположенных на внешней поверхности структуры и восьми параллельных β-слоёв внутри структуры. Белки с подобным тёхмерным строением называются αβ-баррелы (от англ. barrel — бочка) [1].

Четверичная структура 

 — субъединичная структура белка. Взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.

Также выделяют:

• Трёхмерную структуру белка — набор пространственных координат, составляющих белок атомов.
• Субъединичную (доменную) структуру белка — последовательность участков белка, имеющих известную функцию или определённую трёхмерную структуру.
• Гидрофобное ядро, обеспечивающее сворачивание белка.

Изображение модели комплекса бактериальных шаперонов GroES и GroEL (вид сверху). Аггрегированный белок поступает в центральную полость комплекса, где в результате гидролиза АТФ происходит изменение его структуры

Образование и поддержание структуры белков в живых организмах

Основная статья: Шапероны

Способность белков восстанавливать правильную трёхмерную структуру после денатурации позволила выдвинуть гипотезу о том, что вся информация о конечной структуре белка содержится в его аминокислотной последовательности. В настоящее время общепризнана теория о том, что в результате эволюции стабильная конформация белка обладает минимальной свободной энергией по сравнению с другими возможными конформациями этого полипептида ^[13].

Тем не менее, в клетках существует группа белков, функция которых — обеспечение восстановления структуры белков после повреждения, а также создание и диссоциация белковых комплексов. Эти белки называются шаперонами. Концентрация многих шаперонов в клетке возрастает при резком повышении температуры окружающей среды, поэтому они относятся к группе Hsp (англ. heat shock proteins — белки теплового шока)^[14]. Важность нормальной работы шаперонов для функционирования организма может быть проиллюстрирована на примере шаперона, α-кристаллина, входящего в состав хрусталика глаза человека. Мутации в этом белке приводят к помутнению хрусталика из-за аггрегирования белков и, как результат, к катаракте ^[15].

Синтез белков

Химический синтез

Короткие белки могут быть синтезированы химическим путём с помощью группы методов, которые используют органический синтез — например, химическое лигирование^[16]. Большинство методов химического синтеза проходят в направлении от С-конца к N-концу, в противоположность биосинтезу. Таким образом можно получить короткий иммунногенный пептид (эпитоп), необходимый для получения антител путём инъекции в животных, или получения гибридо́м; химический синтез также используется для получения ингибиторов некоторых ферментов ^[17]. Химический синтез позволяет вводить искусственные, то есть не встречающиеся в обычных белках аминокислоты — например, присоединять флюоресцентные метки к боковым цепям аминокислот. Однако химические методы синтеза неэффективны при длине белков более 300 аминокислот; кроме того, искусственные белки могут иметь неправильную третичную структуру, и у аминокислот искусственных белков отсутствуют посттрансляционные модификации.

Биосинтез белков

Основная статья: Биосинтез белка

Универсальный способ: рибосомный синтез

Молекулярная модель малой (слева) и большой (справа) субъединиц бактериальной рибосомы — молекулярной машины, синтезирующей белки. Голубым цветом показаны белки в составе рибосомы, но основную структурную роль выполняет рРНК

Белки синтезируются живыми организмами из аминокислот на основе информации, закодированной в генах. Каждый белок состоит из уникальной последовательности аминокислот, которая определяется нуклеотидной последовательностью гена, кодирующего данный белок. Генетический код составляется из трёхбуквенных «слов», называемых кодонами; каждый кодон отвечает за присоединение к белку одной аминокислоты: например, сочетание АУГ соответствует метионину. Поскольку ДНК состоит из четырёх типов нуклеотидов, то общее число возможных кодонов равно 64; а так как в белках используется 20 аминокислот, то многие аминокислоты определяются более, чем одним кодоном. Гены, кодирующие белки сначала транскрибируются в последовательность нуклеотидов матричной РНК (мРНК) белками РНК-полимеразами.

У прокариот мРНК может считываться рибосомами в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции, а у эукариот она транспортируется из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы. Скорость синтеза белков выше у прокариот и может достигать 20 аминокислот в секунду ^[18].

Процесс синтеза белка с мРНК называется трансляцией. Во время начальной стадии биосинтеза белков, инициации, обычно метиониновый кодон узнаётся малой субъединицей рибосомы, к которой при помощи белковых факторов инициации присоединена метиониновая транспортная РНК (тРНК). После узнавания стартового кодона к малой субъединице присоединяется большая субъединица и начинается вторая стадия трансляции — элонгация. При каждом движении рибосомы от 5' к 3' концу мРНК считывается один кодон путём образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мРНК и комплементарным ему антикодоном транспортной РНК, к которой присоединена соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализируется рибосомальной РНК рРНК, образующей пептидилтрансферазный центр рибосомы. Рибосомальная РНК (рРНК) катализирует образование пептидной связи между последней аминокислотой растущего пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК, позиционируя атомы азота и углерода в положении, благоприятном для прохождения реакции. Ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяют аминокислоты к их тРНК. Третья, и последняя стадия трансляции, терминация, происходит при достижении рибосомой стоп-кодона, после чего белковые факторы терминации гидролизуют последнюю тРНК от белка, прекращая его синтез. Таким образом, в рибосомах белки всегда синтезируются от N- к C- концу.

Нерибосомный синтез

У низших грибов и некоторых бактерий существует менее распространённый способ биосинтеза белков, который не требует участия рибосом. Синтез пептидов, обычно вторичных метаболитов, проводится высокомолекулярным белковым комплексом, так называемой НРС-синтазой. НРС-синтаза обычно состоит из нескольких доменов или отдельных белков, осуществляющих селекцию аминокислот, образование пептидной связи, высвобождение синтезированного пептида и, иногда, домен, способный изомеризовать L-аминокислоты (нормальная форма) в D-форму.^[19][20]

Внутриклеточный транспорт и сортировка белков

Основная статья: Внутриклеточная сортировка белков
Синтезируемые в цитоплазме на рибосомах белки должны попадать в разные компартменты клетки — ядро, митохондрии, ЭПР, аппарат Гольджи, лизосомы и др., а некоторые белки должны попасть во внеклеточную среду. Для попадания в определенный компартмент белок должен обладать специфической меткой. В большинстве случаев такой меткой является часть аминокислотной последовательности самого белка (лидерный пептид, или сигнальная последовательность белка). В некоторых случаях меткой служат посттрансляционно присоединенные к белку олигосахариды. Транспорт белков в ЭПР осуществляется по мере их синтеза, так как рибосомы, синтезирующие белки с сигнальной последовательностью для ЭПР, «садятся» на специальные транслокационные комплексы на мембране ЭПР. Из ЭПР в аппарат Гольджи, а оттуда в лизосомы, на внешнюю мембрану или во внеклеточную среду белки попадают путем везикулярного транспорта. В ядро белки, обладающие сигнальной последовательностью для ядра, попадают через ядерные поры. В митохондрии и хлоропласты белки, обладающие соответствующими сигнальными последовательностями, попадают через специфические белковые поры-транслокаторы при участии шаперонов.

Посттрансляционная модификация белков

Основная статья: Посттрансляционная модификация

Молекулы убиквитина (оранжевые и розовые) присоединены к белку Src (голубой), предвещая его деградацию

После завершения трансляции и высвобождения белка из рибосомы аминокислоты в составе полипептидной цепи подвергаются разнообразным химическим модификациям. Примерами посттрансляционной модификации являются:

• присоединение различных функциональных групп (ацетил-, метил- и фосфатных групп);
• присоединение липидов и углеводородов;
• изменение стандартных аминокислот на нестандартные (образование цитруллина);
• образование структурных изменений (образование дисульфидных мостиков между цистеинами);
• удаление части белка как в начале (сигнальная последовательность), так и в отдельных случаях в середине (инсулин);
• добавление небольших белков, которые влияют на деградацию белков (сумоилирование и убиквитинирование).

При этом тип модификации может быть как универсальным (добавление цепей, состоящих из мономеров убиквитина, служит сигналом для деградации этого белка протеосомой), так и специфическим для данного белка ^[21]. В то же время один и тот же белок может подвергаться многочисленным модификациям. Так, гистоны (белки, входящие в состав хроматина у эукариот) в разных условиях могут подвергаться до 150 различных модификаций ^[22].

Функции белков в организме

Так же как и другие биологические макромолекулы (полисахариды, липиды) и нуклеиновые кислоты, белки — необходимые компоненты всех живых организмов, и участвуют в каждом внутреннем процессе клетки. Белки осуществляют обмен веществ и энергетические превращения. Белки входят в состав клеточных структур — органелл или секретируются во внеклеточное пространство для обмена сигналами между клетками и гидролиза пищевых субстратов. Следует отметить, что классификация белков по их функции достаточно условна, потому что у эукариот один и тот же белок может выполнять несколько функций. Хорошо изученным примером такой многофункциональности служит лизил-тРНК-синтетаза — фермент из класса аминоацил-тРНК синтетаз, который не только присоединяет лизин к тРНК, но и регулирует транскрипцию нескольких генов^[23].

Молекулярная модель фермента уреазы бактерии Helicobacter pylori

Каталитическая функция

Основная статья: Ферменты

Наиболее хорошо известная роль белков в организме — катализ различных химических реакций. Ферменты — группа белков, обладающая специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), а также репликации и репарации ДНК и синтезе РНК. Известно несколько тысяч ферментов; среди них такие, как например пепсин, расщепляют белки в процессе пищеварения. В процесс пострансляционной модификации некоторые ферменты добавляют или удаляют химические группы на других белках. Известно около 4000 реакций, катализируемых белками^[24]. Ускорение реакции в результате ферментативного катализа иногда огромно: например, реакция, катализируемая ферментом оротат-карбоксилазой протекает в 10¹⁷ быстрее некатализируемой (78 миллионов лет без фермента, 18 миллисекунд с участием фермента)^[25]. Молекулы, которые присоединяются к ферменту и изменяются в результате реакции, называются субстратами.

Хотя ферменты обычно состоят из сотен аминокислот, только небольшая часть из них взаимодействует с субстратом, и еще меньшее количество — в среднем 3-4 аминокислоты, часто расположенные далеко друг от друга в первичной аминокислотной последовательности — напрямую участвуют в катализе^[26]. Часть фермента, которая присоединяет субстрат и содержит каталитические аминокислоты, называется активным центром фермента.

Структурная функция

Основная статья: Фибриллярные белки

Структурные белки, как своего рода арматура, придают форму жидкому внутреннему содержимому клетки. Большинство структурных белков являются филаментозными белками: например, мономеры актина и тубулина — это глобулярные, растворимые белки, но после полимеризации они формируют длинные нити, из которых состоит цитоскелет, позволяющий клетке поддерживать форму^[27]. Коллаген и эластин — основные компоненты соединительной ткани (например, хряща), а из другого структурного белка кератина состоят волосы, ногти, перья птиц и некоторые раковины.

Мышиное антитело против холеры, присоединённое к углеводородному антигену (вверху)

Защитная функция

Основная статья: Антитела

Существуют несколько видов защитных функций белков:

1. Физическая защита. В ней принимает участие коллаген, белок, поддерживающего структуру кожи. Состоит из хондроитина и глюкозамина.
2. Химическая защита. Связывание химических токсинов белковыми молекулами — дезинтоксикация.
3. Иммунная защита. Защита с помощью иммуноглобулинов

Белки, входящие в состав крови, участвуют в защитном ответе организма как на повреждение, так и на атаку патогенов. Примерами первой группы белков служат фибриногены и тромбины^[28], участвующие в свёртывании крови, а антитела (иммуноглобулины), нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки. Антитела, входящие в состав адаптативной иммунной системы, присоединяются к чужеродным для данного организма веществам, антигенам, и тем самым нейтрализуют их, направляя к местам уничтожения. Антитела могут секретироваться в межклеточное пространство или закрепляться в мембранах специализированных В-лимфоцитов, которые называются плазмоцитами^[29]. В то время как ферменты имеют ограниченное сродство к субстрату, поскольку слишком сильное присоединение к субстрату может мешать протеканию катализируемой реакции, стойкость присоединения антител к антигену ничем не ограничено ^[30].

Регуляторная функция

Основные статьи: Цитокины, Активатор (белки), Протеасома, Регуляторная функция белков

Многие процессы в организме регулируются небольшими белковыми молекулами, полипептидными гормонами и цитокинами. Примером таких белков служит, соответственно, инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови, и фактор некроза опухолей, который передаёт сигналы воспаления между клетками организма^[31]. На внутриклеточном уровне транскрипция генов определяется присоединением факторов транскрипции — белков-активаторов и белков-репрессоров к регуляторным последовательностям генов. На уровне трансляции считывание многих мРНК также регулируется присоединением белковых факторов ^[32], а деградация РНК и белков также проводится специализированными белковыми комплексами ^[33]. Важнейшую роль в регуляции внутриклеточных процессов играют протеинкиназы — ферменты, которые активируют или подавляют активность других белков путем присоединения к ним фосфатных групп.

Структура миоглобина с выделенными α спиралями.

Транспортная функция

Основная статья: Транспортные белки

Растворимые белки, участвующие в транспорте малых молекул, должны иметь высокое сродство (афинность) к субстрату, когда он присутствует в высокой концентрации, и легко его высвобождать в местах низкой концентрации субстрата. Примером транспортных белков можно назвать гемоглобин, который переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким, а также гомологичные ему белки, найденные во всех царствах живых организмов ^[34].

Некоторые мембранные белки участвуют в транспорте малых молекул через мембрану клетки, изменяя её проницаемость. Липидный компонент мембраны водонепроницаем (гидрофобен), что предотвращает диффузию полярных или заряженных (ионы) молекул. Мембранные транспортные белки принято подразделять на белки-каналы и белки-переносчики. Белки-каналы содержат внутренние заполненные водой поры, которые позволяют ионам (через ионные каналы) или молекулам воды (через белки-аквапорины) перемещаться внутрь или наружу. Многие ионные каналы специализируются на транспорте только одного иона; так, калиевые и натриевые каналы часто различают эти сходные ионы и пропускают только один из них ^[35]. Белки-переносчики связывают, подобно ферментам, каждую переносимую молекулу или ион и, в отличие от каналов, могут осуществлять активный транспорт с использованием энергии АТФ. «Электростанция клетки» — АТФ-синтаза, которая осуществляет синтез АТФ за счёт протонного градиента, также может быть отнесена к мембранным транспортным белкам ^[36].

Запасная (резервная) функция белков

К таким белкам относятся так называемые резервные белки, которые запасаются в качестве источника энергии и вещества в семенах растений и яйцеклетках животных; белки третичных оболочек яйца (овальбумины) и основной белок молока (казеин) также выполняют, главным образом, питательную функцию. Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.

Рецепторная функция

Основная статья: Клеточный рецептор

Белковые рецепторы могут как находиться в цитоплазме, так и встраиваться в клеточную мембрану. Одна часть молекулы рецептора воспринимает сигнал, который с помощью конформационных изменений передаётся на другую часть молекулы, активирующую передачу сигнала на другие клеточные компоненты. У мембранных рецепторов часть молекулы, связывающаяся с сигнальной молекулой, находится на поверхности клетки, а домен, передающий сигнал, внутри ^[37].

Движение молекулы миозина при мышечном сокращении

Моторная и сократительные функции

Целый класс моторных белков обеспечивает движения организма (например, сокращение мышц, в том числе локомоцию (миозин), перемещение клеток внутри организма (например, амебоидное движение лейкоцитов), а также активный и направленный внутриклеточный транспорт (кинезин, динеин). Динеины и кинезины проводят транспортировку молекул (так называемого карго) вдоль микротрубочек с использованием гидролиза АТФ в качестве источника энергии. Динеины переносят карго из периферических частей клетки по направлению к центросоме, кинезины в противоположном направлении ^[38][39]. Цитоплазматические варианты миозина могут перемещать карго вдоль микрофиламентов.

Белки в обмене веществ

Большинство микроорганизмов и растений могут синтезировать 20 стандартных аминокислот, а также дополнительные (нестандартные) аминокислоты, например, цитруллин. Но если аминокислоты есть в окружающей среде, даже микроорганизмы сохраняют энергию путём транспорта аминокислот внутрь клеток и выключения их биосинтетических путей^[40].

Аминокислоты, которые не могут быть синтезированы животными, называются незаменимыми. Основные ферменты в биосинтетических путях, например, аспартаткиназа, которая катализирует первый этап в образовании лизина, метионина и треонина из аспартата, отсутствуют у животных.

Животные, в основном, получают аминокислоты из белков, содержащихся в пище. Белки разрушаются в процессе пищеварения, который обычно начинается с денатурации белка путём помещения его в кислотную среду и гидролиза с помощью ферментов, называемых протеазами. Некоторые аминокислоты, полученные в результате пищеварения, используются для синтеза белков организма, а остальные превращаются в глюкозу в процессе глюконеогенеза или используются в цикле Кребса. Использование белка в качестве источника энергии особенно важно в условиях голодания, когда собственные белки организма, в особенности мускулов, служат источником энергии^[41]. Аминокислоты также являются важным источником азота в питании организма.

В мире не существует единых представлений о количественной характеристике норм потребления белков. Микрофлора толстого кишечника синтезирует аминокислоты, которые не учитываются при составлении белковых норм.

Методы количественного определения белков

Для определения количества белка в образце используется ряд методик:

• Биуретовый метод
• Микробиуретовый метод
• Метод Бредфорда
• Метод Лоури
• Спектрофотометрический метод

См. также

• Аминокислота
• Незаменимые аминокислоты
• Нестандартные аминокислоты
• Пептидная связь
• Пептиды
• Прионы
• Протеомика
• Сплайсинг белков
• Folding@home — проект распределённых вычислений для проведения компьютерной симуляции свёртывания молекул белка

Ссылки

• Свойства аминокислот и белков
• PDB — Protein Data Bank
• Обзоры статей о фолдинге белков на русском
• Хаос и порядок дискретных систем в свете синергетической теории информации (В статье проводится количественный анализ первичной структуры белков со стороны соотношения хаоса и порядка)

Литература

• Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. В 3 томах. — М.: Мир, 1994. — ISBN 5-03-001986-3
• Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 томах. — М.: Мир, 1985.
• Страйер Л. Биохимия. В 3 томах. — М.: Мир, 1984.

Примечания

1. ↑ Muirhead H., Perutz M. Структура гемоглобина. = Structure of hemoglobin. A three-dimensional fourier synthesis of reduced human hemoglobin at 5.5 A resolution. // Nature : журнал. — 1963. — Т. 199. — № 4894. — С. 633—638.
2. ↑ Kendrew J., Bodo G., Dintzis H., Parrish R., Wyckoff H., Phillips D. Трёхмерная модель молекулы миоглобина, полученная по результатам рентгеновских исследований. = A three-dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x-ray analysis. // Nature : журнал. — 1958. — Т. 181. — № 4610. — С. 662—666.
3. ↑ Leicester, Henry . «Berzelius, Jöns Jacob». Dictionary of Scientific Biography 2. New York: Charles Scribner’s Sons. 90-97 (1980). ISBN 0684101149
4. ↑ Биоорганическая химия. — Просвещение, 1987.
5. ↑ Белки // Химическая энциклопедия. — Советская энциклопедия, 1988.
6. ↑ ^{1 2} N. H. Barton, D. E. G. Briggs, J. A. Eisen «Evolution», Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2007 — P. 38. ISBN 978-0879696849
7. ↑ Fulton A, Isaacs W (1991). "Titin, a huge, elastic sarcomeric protein with a probable role in morphogenesis". Bioessays 13 (4): 157-61. PMID 1859393.
8. ↑ http://www.brenda-enzymes.info/php/result_flat.php4?ecno=3.4.23.1
9. ↑ S J Singer. The Structure and Insertion of Integral Proteins in Membranes. Annual Review of Cell Biology. Volume 6, Page 247—296. 1990
10. ↑ Страер Л., Биохимия в 3 томах. — М.: Мир, 1984
11. ↑ de Bolster, M.W.G. Glossary of Terms Used in Bioinorganic Chemistry: Prosthetic groups. International Union of Pure and Applied Chemistry (1997). Проверено 30 октября 2007.
12. ↑ Ленинджер А. Основы биохимии, в 3 томах. — М.: «Мир», 1985.
13. ↑ Anfinsen C. (1973). "Principles that Govern the Folding of Protein Chains.". Science 181: 223-229.
14. ↑ Ellis RJ, van der Vies SM (1991). "Molecular chaperones". Annu. Rev. Biochem. 60: 321-47. DOI:10.1146/annurev.bi.60.070191.001541. PMID 1679318.
15. ↑ Sun Y, MacRae TH. (2005). "The small heat shock proteins and their role in human disease.". FEBS J. 60: 2613-27. PMID 115943797.
16. ↑ Wilken J, Kent SB.. Curr Opin Biotechnol. Chemical protein synthesis. 1998.9(4):412-26
17. ↑ Dawson PE, Kent SB. Synthesis of native proteins by chemical ligation. Annu Rev Biochem. 2000;69:923-60
18. ↑ Dobson CM. (2000). The nature and significance of protein folding. In Mechanisms of Protein Folding 2nd ed. Ed. RH Pain. Frontiers in Molecular Biology series. Oxford University Press: New York, NY.
19. ↑ Stack D, Neville C, Doyle S. Nonribosomal peptide synthesis in Aspergillus fumigatus and other fungi. Microbiology. 2007 May;153(Pt 5):1297-306
20. ↑ Welker M, von Döhren H. Cyanobacterial peptides — nature’s own combinatorial biosynthesis. FEMS Microbiol Rev. 2006 Jul;30(4):530-63
21. ↑ Demartino GN, Gillette TG. Proteasomes: machines for all reasons. Cell. 2007 May 18;129(4):659-62
22. ↑ Bronner C, Chataigneau T, Schini-Kerth VB, Landry Y.The «Epigenetic Code Replication Machinery», ECREM: a promising drugable target of the epigenetic cell memory. Curr Med Chem. 2007;14(25):2629-41
23. ↑ Yannay-Cohen N, Razin E. (2000). "Translation and transcription: the dual functionality of LysRS in mast cells.". Mol Cells. 22: 127-32. PMID 17085962.
24. ↑ Bairoch A. (2000). "The ENZYME database in 2000". Nucleic Acids Res 28: 304-305. PMID 10592255.
25. ↑ Radzicka A, Wolfenden R. (1995). "A proficient enzyme.". Science 6 (267): 90-931. PMID 7809611.
26. ↑ The Catalytic Site Atlas at The European Bioinformatics Institute
27. ↑ Erickson HP. Evolution of the cytoskeleton. Bioessays. 2007:668-77
28. ↑ Wolberg AS (2007). «Thrombin generation and fibrin clot structure.». Blood Rev. 21 (3): 131-42.PMID 17208341.
29. ↑ ^ J. Li, D.R. Barreda, Y.-A. Zhang, H. Boshra, A.E. Gelman, S. LaPatra, L. Tort & J.O. Sunyer (2006). «B lymphocytes from early vertebrates have potent phagocytic and microbicidal abilities». Nature Immunology 7: 1116—1124. PMID 16980980.
30. ↑ Felix NJ, Allen PM. Specificity of T-cell alloreactivity. Rev Immunol. 2007 Dec;7(12):942-53
31. ↑ Повещенко АФ., Абрамов ВВ., Козлов ВВ. Цитокины — факторы нейроэндоктринной регуляции. Успехи Физиологических Наук. 2007 — 38(3):40-6
32. ↑ Hinnebusch AG. Translational regulation of GCN4 and the general amino acid control of yeast. Annu Rev Microbiol. 2005;59:407-50
33. ↑ Anderson P, Kedersha N., RNA granules. Cell Biol. 2006:172(6):803-8
34. ↑ Wittenberg JB. On optima: the case of myoglobin-facilitated oxygen diffusion Gene. 2007 Aug 15;398(1-2):156-61.
35. ↑ Driessen AJ, Nouwen N. Protein Translocation Across the Bacterial Cytoplasmic Membrane.Annu Rev Biochem. 2007 Dec 13 [Epub ahead of print]
36. ↑ Drory O, Nelson N. (2006). "The emerging structure of vacuolar ATPases.". Physiology (Bethesda). 21: 317-25. PMID 16990452.
37. ↑ Dupré DJ, Hébert TE. Biosynthesis and trafficking of seven transmembrane receptor signalling complexes.Cell Signal. 2006.(10):1549-59
38. ↑ Karp G. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments, Fourth ed, pp. 346—358. John Wiley and Sons, Hoboken, NJ. 2005.
39. ↑ Schroer, Trina A. Dynactin. Annual Review of Cell and Developmental Biology 2004 20, 759—779. PMID 15473859
40. ↑ Voet D, Voet JG. Biochemistry Vol 1 3rd ed., Hoboken, NJ.(2004).
41. ↑ Brosnan J (2003). "Interorgan amino acid transport and its regulation". J Nutr 133 (6 Suppl 1): 2068S-72S. PMID 12771367.

Основные группы биохимических молекул

Аминокислоты · Пептиды · Белки · Углеводы · Нуклеотиды · Нуклеиновые кислоты · Липиды · Терпены · Каротиноиды · Стероиды · Флавоноиды · Алкалоиды · Гликозиды