senchuk_v_v_biohimiya_kurs_lekcii

В состав белков входят следующие основные типы простети- ческих групп, или кофакторов:

производные порфирина;

коферментные формы витаминов;

нуклеотиды;

ионы и соединения металлов.

Хромопротеины

Хромопротеины — сложные белки, которые способны поглощать свет видимой области спектра, т. е. окрашенные белки. Это свойство рождено не только структурой небелковой части, но и физико-химическими особенностями ее взаимодействия с определенными аминокислотными радикалами полипептидной цепи. Несмотря на кажущуюся обычную вялость окраски клеток и тканей, за исключением цветков растений, крови и мышц животных, клетки характеризуются богатой цветовой гаммой за счет присутствия разнообразных хромопротеинов. Просто-напросто концентрация хромопротеинов недостаточно велика для придания соч- ных и ярких тонов. Полученные к настоящему времени очищенные хромопротеины имеют характеристические максимумы в спектрах поглощения и окраску всех цветов радуги.

На основании химического строения небелковой части хромопротеины делят на две основные группы:

гемопротеины;

флавопротеины.

К хромопротеинам также относится зрительный белок родопсин, где небелковая часть представлена производными витамина А1, а также некоторые металлопротеины.

Флавопротеины

Флавопротеины открыты лауреатом Нобелевской премии 1931 г. Отто Варбургом (Германия) как «желтые ферменты» дрожжей. Установлено, что коферментами флавопротеинов являются флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) — коферментные формы витамина В2 (см. раздел «Витамины»). Большинство флавопротеинов обладает ферментативной активностью, они участвуют в окислительно-восстанови- тельных реакциях, в реакциях активации молекулярного кислорода, в реакциях переноса электронов, в цвето- и световосприятии. По классификации ферментов флавопротеины относятся к

52

Ðèñ. 6. Схема структурной организации железосероцентров

оксидазам и дегидрогеназам. Флавиновые коферменты могут быть связаны ковалентно и нековалентно с белковой частью. По первичной структуре они очень разнообразны (молекулярная масса от 12 000 до 700 000!). В ряде случаев флавопротеины могут содержать также и гем, и железосероцентры, и молибден, что создает большое разнообразие окислительно-восстановитель- ных ферментов. В этом случае в одном белке формируется сложная электрон-транспортная цепь. В структуре активного центра таких флавопротеинов, как, например, ксантиноксидаза, альдегидоксидаза, могут содержаться так называемые железосероцентры, построенные из пространственно сближенных остатков цистеина, связанных с негемовым железом (рис. 6), а также молибден (Mo6+). Железосероцентры могут существовать в нескольких формах, образуя особые структуры окислительно-вос- становительных белков ферредоксинов — (Fe2S2)-протеины, (Fe4S4)-протеины, (Fe4S4)2-протеины.

Гемопротеины

Гемопротеины — это сложные белки, где небелковая часть представлена производными Fe-порфирина. Родственные по структуре производные Mg-порфирина встречаются почти исключительно в клетках растений. К гемопротеинам относят гемоглобин, миоглобин, каталазу, пероксидазы, гуанилатциклазу, цитохромы и т. д. Гемопротеины широко распространены во всех живых клетках и организмах. Они разнообразны по строению белковой части и по характеру связей белка с коферментом. Большинство гемопротеинов имеют красный цвет.

53

Химическое строение небелковой части гемопротеинов весьма сложное. И не случайно, что Нобелевская премия дважды присуждалась немецким ученым за установление структуры порфиринов — Р. М. Вильштеттеру в 1915 г. и Г. Э. Фишеру в 1930 г. В основе структуры порфиринов лежит система четырех пиррольных колец, соединенных метиленовыми мостиками и содержащих боковые радикалы (рис. 7). В составе гемопротеинов встречаются разнообразные родственные порфирины, которые отличаются заместителями во внешней сфере С-атомов тетрапиррольного ядра. Наиболее распространенный протопорфирин IX по химической структуре является 1,3,5,8-тетраме- тил-2,4-дивинил-6,7-пропионовокислым порфином. Таким образом, гем — это комплекс ионов Fe2+ и протопорфирина IX, где четыре связи железа заняты атомами N пиррольных колец, а два других координационных аксиальных положения (вверх и вниз от плоскости гема) служат для связывания с внешними лигандами (рис. 8).

Гемоглобин — один из наиболее изученных гемопротеинов. транспортирует молекулярный кислород от легких к тканям и углекислый газ от тканей к легким. Гемоглобин локализован исключительно в составе эритроцитов и упакован там настолько плотно, что в каждой клетке находится около 350 миллионов молекул гемоглобина! Содержание гемоглобина в организме человека около 900 г, а из них всего лишь около 3 г приходится на железо. Это сложный белок, состоит из четырех субъединиц ( + + ) +( + ), с каждой из которых гем связан нековалентно и находится в гидрофобном «кармане». Белковая часть без гема называется глобин. В пятом аксиальном положении ион Fe связан с азотом остатка гистидина белковой цепи. Шестое аксиальное положение служит для присоединения лигандов. Оно свободно в дезоксигемоглобине (Fe2+), занято кислородом в оксигемоглобине (Fe2+). Связывание СО, NO и CN—, как и окисление Fe2+ äî Fe3+ в метгемоглобине, подавляет кислород-транспортную функцию гемоглобина. Среди гемоглобинов людей обнаружено около 200 аномальных мутантных форм, которые лежат в основе гемоглобинопатий — наследственных заболеваний. От простейших до человека гемоглобин является наиболее распространенным транспортером газов. В крови некоторых кольчатых червей встречается аналог — хлорокруорин, а аналогичные по функции белки многих моллюсков и членистоногих гемоцианины — это синие Cu-содержащие белки без гема.

54

Ðèñ. 7. Порфирины: хлорофилл à (À), ãåì (Á)

55

Ðèñ. 8. Схема организации гемопротеинов

Гемопротеины выполняют чрезвычайно разнообразные функции, играющие центральную роль в таких процессах жизнедеятельности, как:

фотосинтез (в том числе хлорофиллсодержащие белки);

транспорт газов (гемоглобин, миоглобин);

окислительно-восстановительные реакции (пероксидазы);

транспорт электронов в дыхательной цепи (цитохромы);

биосинтез гормонов щитовидной железы (тиреоид-перок- сидаза);

разрушение пероксида водорода (каталаза);

образование 3’,5’-цГМФ (гуанилатциклаза);

биосинтез стероидов (митохондриальные цитохромы Р450);

биосинтез монооксида азота (NO-синтетаза);

биосинтез эйкозаноидов (простагландинсинтетаза);

бактерицидная активность лейкоцитов (миелоперокси-

äàçà);

детоксикация чужеродных соединений (цитохромы Р450 эндоплазматической сети) и многие другие.

Фосфопротеины

В фосфопротеинах эфирная связь между остатками фосфорной кислоты и белком осуществляется через ОН-группы L-сери- на, L-треонина или L-тирозина (рис. 9). Посттрансляционное образование фосфопротеинов катализируется группой ферментов, называемых протеинкиназами. Эти ферменты используют АТФ в реакции фосфорилирования белков. В зависимости от ак-

56

тивирующего действия того или иного
вторичного посредника протеинкиназы
делят на несколько классов:
цАМФ-зависимые;
цГМФ-зависимые;
Ca2+-зависимые;
Ca2+-кальмодулин-зависимые;
диацилглицерол-зависимые.
Некоторые протеинкиназы фосфо-
рилируют белки по гидроксилам L-се-
рина и L-треонина, другие — по гид-	Ðèñ. 9. Схема организации
роксилам L-тирозина. К числу тирози-	фосфопротеинов

новых протеинкиназ относятся рецепторы факторов роста, рецепторы инсулина, некоторые онкобел-

ки и др. В норме все протеинкиназы находятся под гормональным контролем. Для различных протеинкиназ в клетке существуют свои белки-мишени, а состав протеинкиназ и белков-ми- шеней тканеспецифичен. В результате фосфорилирования резко меняются функциональные свойства белков (чаще — активирование, реже — ингибирование). Существует группа ферментов — протеинфосфатазы, которые катализируют обратный процесс — реакцию дефосфорилирования, тем самым ограничи- вая прохождение регуляторного сигнала. Реакции фосфорили- рования-дефосфорилирования белков развиваются достаточно быстро (в пределах 5—30 мин) и позволяют эффективно регулировать биохимию и физиологию клеток. К фосфопротеинам относятся также и белки, используемые для питания на ранних этапах развития, как важный источник биодоступного фосфора: казеин содержит до 10 % фосфата — основной белок молока, образует творог; вителлин и фосфитин — основные белки желтка яиц. Для исследования реакций фосфорилирования белков применяют в качестве субстрата радиоактивно меченый-Р32-АТФ, различные активаторы протеинкиназ (цАМФ, цГМФ, Ca2+, кальмодулин, диацилглицерол), а также специфи- ческие ингибиторы протеинкиназ. Меченая -Р32-фосфатная группа АТФ в ходе реакции переносится на белки-мишени, которые затем анализируют методом электрофореза. После электрофореза все белки в геле окрашивают с помощью нитрата серебра или красителями типа кумасси, а радиоактивные бел- ки-мишени выявляют методом флюорографии. Другой метод позволяет количественно измерить фосфорилирование по остат-

57

кам L-тирозина. Он предполагает иммунохимический анализ фосфотирозина в составе исследуемого белка, смеси белков, субклеточных фракций с использованием моноклональных антител, полученных против фосфотирозина.

Гликопротеины

Гликопротеины — это сложные белки, которые содержат белковую часть и ковалентно связанный углеводный компонент (рис. 10). Размер углеводного компонента широко варьирует — от двух до нескольких десятков остатков моносахаридов. В отли- чие от родственных и созвучных протеогликанов углеводный компонент в гликопротеинах гораздо меньше полипептидной части по размеру.

Âсостав гликопротеинов входят разнообразные моносахариды: D-глюкоза, N-ацетил-D-глюкозамин, D-галактоза, N-ацетил- D-галактозамин, D-манноза, D-ксилоза, D-арабиноза, D-глюкуро- новая кислота, сиаловые кислоты, L-фукоза и др.

Âгликопротеинах есть два типа связей углевода с белком:

O-гликозидная через гидроксил серина или треонина;

N-гликозидная через азот амидной группы аспарагина. Структура углеводного компонента гликопротеинов не коди-

руется генетически. Посттрансляционный биосинтез гликопротеинов осуществляется в комплексе Гольджи и в эндоплазмати- ческой сети (ЭПС). В реакциях биосинтеза принимает участие мультиферментный комплекс различных гликозилтрансфераз. Эти ферменты, как на конвейере, осуществляют уникальный нематричный и очень точный синтез углеводных частей гликопротеинов.

Процесс начинается в полости ЭПС, где на первом этапе при участии долихола (интегрального липида мембраны ЭПС) образуется первичный N-гликозид, содержащий две молекулы N-ацетил-D-глюкозамина, 9 молекул D-маннозы и три молекулы D-глюкозы. Затем этот олигосахарид переносится с долихола на аспарагин полипептидной цепи. Далее первично гликозилированный белок поступает через полость ретикулума в комплекс Гольджи, где происходит О-гликозилирование, а также удаление моносахаридов и/или добавление других моно- и олигосахаридов. В реакциях гликозилирования участвуют активированные формы моносахаридов — нуклеозиддифосфатсахара, которые образуются путем присоединения к макроэргическим нуклеозидтрифосфатам. За счет остатков D-маннозы достигается

58

Ðèñ. 10. Схема организации гликопротеинов (А), N-гликозидных (Б) и О-гликозидных (В) углеводных компонентов

59

ветвление углеводной части и образование антенн. В гликопротеинах обычно встречаются одно-, двух-, реже трех- и четырехантенные углеводы.

Специфичность структуры углеводного компонента, точ- ность и воспроизводимость биосинтеза во многих гликопротеинах чрезвычайно высока. Примером служит индивидуальное постоянство строения углеводных компонентов, которые предопределяют групповую принадлежность крови.

Строение углеводного компонента изучают путем последовательного отщепления моносахаридов специфическими гликозидазами (например, L-фукозидазой или D-маннозидазой). Полу- ченные индивидуальные моносахариды обычно превращают в метиловые эфиры (для стабилизации и увеличения летучести) и идентифицируют методами газожидкостной хроматографии (ГЖХ), ВЭЖХ, а также в комбинации с масс-спектрометрией — ГЖХ и масс-спектрометрия (GC/MS), ВЭЖХ и масс-спектромет- рия (LC/MS). Используется также биосинтетическое радиоактивное мечение углеводных компонентов гликопротеинов после внесения в клетки индивидуальных радиоактивно меченных моносахаридов.

Для анализа широко применяются и лектины — особые белки бактерий, грибов, растений и животных, которые специфически распознают определенные моносахариды в углеводных компонентах гликопротеинов и нековалентно, но весьма прочно с ними связываются. Особенно богаты лектинами семена бобовых, где они составляют 2—10 % общего белка. Лектины помогают идентифицировать моносахариды непосредственно в составе гликопротеина, в биомембранах, клетках. К наиболее известным лектинам относятся: конканавалин А из канавалии мече- видной, рицин из клещевины, фитогемагглютинин из фасоли, лектин из виноградной улитки и др.

Функции гликопротеинов. Гликозилирование белков меняет их функциональные свойства, регулирует их транспорт, секрецию, а также определяет взаимодействие этих белков с другими белками клетки, гормонами и внутриклеточными регуляторами. Полагают также, что гликозилирование изменяет локализацию, стабильность белков и определяет время их жизни. Углеводные компоненты гликопротеинов непосредственно вступают в реакции межмолекулярного, межклеточного узнавания и коммуникации. Гликопротеины расположены в плазматической мембране полярно, экспонируя наружу клетки те домены, где присоеди-

60

нен углеводный компонент. Среди гликопротеинов встречаются рецепторы гормонов, ионные каналы, есть секретируемые белки (например, иммуноглобулины), ряд белково-пептидных гормонов (например, гонадотропные гормоны гипофиза). Реакции гликозилирования белков участвуют в передаче гормональных или иных регуляторных сигналов внутрь клетки и позволяют сравнительно быстро (5—30 мин) и эффективно изменять физиоло- го-биохимические процессы в клетках.

Большинство реакций гликозилирования осуществляется при участии ферментов. Однако происходит и неферментативное гликозилирование (реакция карбонильной группы моносахаридов с аминогруппами белков). Гликозилирование сывороточного альбумина в кровяном русле, гликозилирование в хрусталике глаза фермента антиоксидантной системы супероксиддисмутазы приводит к инактивации этих белков. Неферментативное гликозилирование белков может усиливаться под действием ультрафиолета, радиоактивного облучения, прооксидантов и часто сопровождает формирование патологических состояний организма.

Нуклеопротеины

Нуклеопротеины содержат белок и нековалентно связанный остаток нуклеиновой кислоты. Существует деление нуклеопротеинов на две группы:

ДНП (дезоксирибонуклеопротеины);

РНП (рибонуклеопротеины).

ÄÍÏ локализованы в основном в ядрах, митохондриях и хлоропластах, содержат ДНК в комплексе с белками. Белковая часть представлена гистонами, протаминами, многочисленными и разнообразными негистоновыми белками. Гистоны и протамины — это сильно оснoвные белки, которые встречаются только у эукариотических организмов. Они в виде катионов связываются ионной связью с полианионом ДНК и формируют нуклеосомную структуру ДНК, а негистоновые белки участвуют в тонкой регуляции структуры и функций ДНК, узнавая специфические регуляторные участки в ДНК. В составе ДНП ядер и митохондрий на долю нуклеиновых кислот приходится 40—60 %. ДНК-содержа- щие вирусы — это тоже ДНП, часто содержат до 5 % ДНК и до 95 % белка. В вирусных частицах чаще всего однотипный белок формирует жесткую упаковку, внутри которой заключена молекула ДНК.

61