4. Пигменты

1) Определение: разнообразные по химической структуре органические вещества, способные избирательно поглощать свет определенной длины волны (главным образом, благодаря наличию в молекуле сопряженных двойных связей). (Некоторые пигменты, например хлорофилл, под действием света способен переходить в электронновозбужденное состояние и передавать энергию возбуждения другим молекулам)

2) В клетке встречаются в свободной форме или будучи встроенными

структуру различных органелл (хлоропластов, хромопластов, хроматофо-

ров, митохондрий) и включений (пигментных)

3) Функции:

- красящая (придают окраску клеткам тканей и органов

(напр., антоцианы у растений, меланин у животных)

- защита от ультрафиолета (напр., каротиноиды у растений,

меланин у животных)

- участие в фотосинтезе (напр., хлорофилл и фикобилины)

- участие в биоэнергетике (напр., цитохромы дыхательной

цепи митохондрий)

- транспорт и депонирование кислорода (гемоглобин

крови и миоглобин мышц), железа (трансферрин плазмы),

меди (церулоплазмин)

- участие в зрительном процессе (напр., родопсин и йодопсин)

4) На ранних этапах эволюции пигменты сыграли важную роль в возникновении и совершенствовании систем, осуществляющих поглощение (извлечение), преобразование и аккумулирование энергии в клетке.

5. Белки (пептиды)

1) Определение: непериодические линейные гетерополимеры, состоящие из аминокислотных остатков

Комментарии: мономерами белков являются аминокислоты; в состав природных пептидов входят различные аминокислоты (гетерополимеры), которые чередуются в молекуле полимера нерегулярным образом (непериодические полимеры); молекулы белков представляют собой неветвящиеся структуры (линейные макромолекулы); число аминокислотных звеньев в белковых молекулах варьирует в широких пределах: от 50 (инсулин) до 26926 (титин – один из вспомогательных мышечных белков)

2) Аминокислоты.

- аминокислоты, входящие в состав природных пептидов, являются альфа-аминокислотами (аминогруппа присоединяется к альфа-атому углерода углеродного скелета молекулы); в структуре их молекул условно выделяют две части: одинаковую у всех аминокислот (альфа-атом углерода с присоединенными к нему карбоксильной и амино- группами) и примыкающую к ней другую часть молекулы, которая у разных аминокислот имеет различное строение (радикал).

- типы аминокислот: оксикислоты, серосодержащие, ароматические, ...

- число разновидностей аминокислот, входящих в состав природных белков -20, из них 8 - незаменимые (в клетках человека не синтезируются; к ним

относятся лизин, фенилаланин, триптофан, треонин, лейцин, изолейцин, валин, метионин)

- химические свойства: совмещают свойства кислоты и основания (в моле куле аминокислоты имеется как карбоксильная, так и амино- группы), что

позволяет им взаимодействовать друг с другом (такие вещества назы- ваются амфотерными)

3) Реакция полимеризации и химическая структура полимера

(полипептида).

Комментарии: данную реакцию более правильно называть реакцией линейной сополиконденсации, так как ее участниками являются различные (более двух разновидностей) мономеры с двумя различными функциональными группами (бифункциональные агенты), а в качестве побочного продукта образуется низкомолекулярное вещество (вода)

- сущность реакции: в результате взаимодействия карбоксильной группы одной аминокислоты с амино-группой другой формируется ковалентная (пептидная) связь между атомом С первой и атомом N - второй, отщепившаяся группировка -ОН, соединяясь с Н образует воду; при этом карбоксильная группа превращается в карбонильную, амино-группа - в имино-группу.

Комментарии: 1) пептидная связь относится к так называемым мезомерным химическим связям, которые отличаются от ковалентных меньшей длиной и большей прочностью; наличием данных связей между аминокислотными остатками объясняется высокая стабильность белков; 2) “наращивание” полипептидной цепи в рибосоме происходит с N-конца

- химическая структура полипептида

Молекула полимера характеризуется полярностью - имеет два различных конца: N-конец, содержащий свободную аминогруппу, и С-конец, на котором содержится свободная карбоксильная группа.

4) Физико-химическая характеристика полипептида.

В структуре гидрофильных радикалов аминокислотных звеньев полипептида содержатся ионогенные функциональные группы, электролитическая диссоциация которых приводит к появлению на поверхности макромолекулы многочисленных разнозаряженных центров (такие вещества называют амфотерными). В результате взаимодействия последних с дипольными молекулами воды молекула полипептида оказывается окруженной гидратной оболочкой. Именно этим обстоятельством объясняется хорошая растворимость большинства белков воде, в частности, альбумина. Напротив, если в составе белка преобладают аминокислотные остатки с гидрофобными радикалами, то молекулы таких белков не могут взаимодействовать с водой и отличаются плохой растворимостью (например, эластин).

5) Первичная структура.

- первичной структурой полипептидной молекулы называется последова

тельность аминокислотных остатков; для одних белков она индивидуальноспецифична (пр.: белки тканевой совместимости), для других - видоспецифична (пр.: инсулин)

- первичная структура закодирована в структурных генах ДНК (см. Генетический код); число белков в сложном организме достигает 100 000

- первичная структура необходима и достаточна для формирования определенной пространственной организации белковой молекулы (конформации).

6) Конформация.

1) Вторичная структура

- совокупность участков полипептидной молекулы, имеющие регулярную структуру

- типы:

= альфа-спираль - правильная правозакрученная спираль, возни-

кающая в результате образования водородных связей между карбонильными и иминогруппами аминокислотных звеньев (между каждым 1-ым и 3-м)

пример: глобин

Комментарии: геометрическая правильность альфа-спирали объясняется тем обстоятельством, что в ее построении принимает непосредственное участие только та часть молекулы аминокислоты, которая одинакова у всех биологически значимых аминокислот; при этом радикалы аминокислотных остатков ориентированы от поверхности спирали и таким образом не искажают ее пространственную регулярность

= складчатая структура (бета-структура) – периодическая складчатая конфигурация, возникающаяв результате образования водородных связей между параллельно ориентированными участками полипептидной молекулы (или нескольких молекул)

примеры: фиброин шелка, кератин волос.

= трехчленная спираль – особая спиралевидная структура, возникающая в результате переплетения трех полипептидных цепей

пример: коллаген

2) Третичная структура

- третичной структурой белковой молекулы называется ее пространственная организация

- типы:

= глобулярная (близкая к сферической), пример: глобин

= фибриллярная (нитчатая), пример: миозин

- стабилизирующие силы: дисульфидные связи (ковалентные связи типа -S-S-, соединяющие остатки серосодеоржащих аминокислот), ионные связи, водородные связи, гидрофобные взаимодействия (образование во внутреннем объеме белковой молекулы областей – гидрофобных ядер -, где сконцентрированы неполярные радикалы аминокислотных остатков и отсутствует вода).

- в структуре молекулы ряда крупных белков со сложной структурой имеются относительно автономные части (домены), различающиеся по строению и частным функциям. В эволюции организация этих молекул сформировалась таким образом, что изменение структуры одного домена индуцирует конформационные преобразования другого домена (доменов), благодаря чему достигает координация их функций и более тонкая регулировка работы молекулы в целом. Примером может служить альбумин сыворотки крови. Его молекула содержит три домена, имеющие центры связывания для различных метаболитов (билирубина, жирных кислот), лекарственных веществ и токсинов. Основной функцией данного белка является избирательное связывание одного или нескольких субстратов и доставка их в определенные органы (ткани). От функционального состояния сывороточного альбумина (полноценности центров связывания, степени нагруженности их тем или иным субстратов и др.) зависит, насколько успешным будет применение лекарственных средств, а также развитие и исход отравлений. В качестве другого примера можно рассмотреть строение мембранного белка-рецептора. Его молекула, как правило, состоит из трех доменов: надмембранного (выполняет функцию молекулярной “антенны”), внутримембранного (играет роль “якоря”) и подмембранного (осуществляет передачу сигнала вглубь клетки).

- процесс формирования третичной структуры является энергоемким, протекает в несколько стадий, катализируется специальными ферментами и осуществляется в присутствии особых вспомогательных белков; эти белки присоединяют к себе вновь образованную на рибосоме полипептидную цепочку и создают условиях для укладки ее в третичную структуру.

3) Четвертичная структура.

- возникает при объединении нескольких полипептидных молекул

(субъединиц или протомеров) в комплекс

- в состав комплекса может входить 2, 4 и более одинаковых или различных субъединиц

- поскольку данные белковые комплексы, как правило, характеризуются лабильностью (т.е. в процессе их функционирования имеют место переходы

полимерной формы в протомерную и обратно), они стабилизированы слабыми силами - ионными и водородными

- на уровне четвертичной структуры реализуются (и в этом состоит ее физиологический смысл) так называемый кооперативный эффект, сущность которого заключается в том, благодаря взаимным влиянием субъединиц функциональная “мощность” белкового комплекса резко возрастает и многократно превышает сумму функциональных потенций составляющих его протомеров

- примеры:

= гемоглобин состоит из четырех субъединиц; присоединение кислорода к одной субъединице резко ускоряет присоединение его к последующим (до 300 раз)

= фермент, расщепляющий перекись водорода (каталаза)

состоит из четырех субъединиц; фермент может находиться как в протомерной форме, так и в тетрамерной; каталитическая активность фермента в форме тетрамера в 1000000 раз превышает его активность в “разобранном” виде.

7) Классификация белков.

БЕЛКИ

простые (протеины) сложные (протеиды)

- альбумины (1) - нуклеопротеиды (3)

- глобулины (2) - гликопротеиды (4)

- липопротеиды (5)

- хромопротеиды (6)

- металлопротеиды (7)

- фосфопротеиды (8)

Комментарии: сложные белки в отличие от простых наряду с белковой частью (апопротеином) содержат небелковую часть (простетическую группу); разновидности: 3 – нуклеопротеиды (пр.: дезоксирибонуклеопротеиды, входят в состав хроматиновых структур, рибонуклеопротеиды входят в состав ядрышка), 4 –гликопротеиды (пр.:гликофорины – компонент мембраны эритроцитов, определяют групповую принадлежность крови), 5 – липопротеиды

(пр.:липопротеиды низкой плотности, липопротеиды высокой плотности –играют важную роль в обмене холестерина, от их соотношения зависит развитие атеросклероза), 6 – хромопротеиды (характеризуются яркой окраской, пр: гемоглобин), 7 – металлопротеиды (пр.: трасферрин – белок плазмы крови, осуществляющий транспорт железа), 8 – фосфопротеиды (пр.: казеин молока, ихтулин рыбьей икры, необходимые для питания развивающегося организма).

8) Функции.

а) каталитическая (ферментная; принимая во внимание исключительно важную роль белков-ферментов в обеспечении жизнедеятельности клетки и ее функциональной активности рассмотрению данной функции белков посвящен специальный раздел – см. п.9)

б) структурная (пр.: тубулин – белок микротрубочек – основных элементов цитоскелета, кератин –обеспечивает прочность волос и др. придатков кожи)

в) сократительная (пр.: актин и миозин – белки, их которых формируется сократительные структуры всех видов мышц)

г) транспортная (реализуется на различных уровнях организации организма: на клеточном, например, белки-переносчики аминокислот в составеплазматической мембраны, на организменном – сывороточный альбумин – белок, осуществляющий транспорт метаболитов, токсинов, лекарственных веществ)

д) защитная (пр.: гамма-глобулины, выполняющие функцию антител)

е) рецепторная (пр.: мембранные, цитоплазматические и ядерные рецепторы для гормонов в клетках органов-мишеней, а также для вирусов)

ж) регуляторная (пр.: пептидные гормоны – инсулин, гормон роста и др.)

з) трофическая (пр.: белок эндосперма семян, ихтулин рыбьей икры – ис

пользуются зародышем в качестве питательного материала)

и) являются участниками фотохимических реакций, лежащих в основе зрения (пр.: трансдуцин – вспомогательный белок, повышающий эффективность работы зрительного пигмента родопсина)

к) энергетическая (при окислении 1 г белка освобождается 17,6 кдж).

9) Каталитическая (ферментная) функция белков.

- современная теория ферментного катализа носит название “теория

фермент-субстратных комплексов или теория ковалентного катализа”

- фермент “выходит” из реакции в неизмененном виде и вновь может участвовать в аналогичном процессе (рабочий цикл фермента); число рабочих циклов зависит от скорости “износа” молекулы фермента; с этих позиций все ферменты принято делить на быстрые (например, каталаза - число рабочих циклов составляет 9 : 10⁴ в сек), средние (например, сукцинатдегилрогеназа – 184 в сек) и медленные (например, трипсин – 22 в сек).

- механизм ферментативного катализа заключается в том, что фермент, соединяясь с субстратом, осуществляет другую реакцию (реакции) с более низким энергетическим потенциалом по сравнению с реакций, идущей без участия катализатора.

- большинство ферментов характеризуются высокой субстратной специфичностью, т.е. способны взаимодействовать только с одним или несколькими близкими по своей химической структуре субстратами

- преобразование субстрата происходит в специальной области молекулы белка-фермента - активном центре; размеры активного центра невелики, в его формировании принимают участие 4 - 10 аминокислотных остатков, остальная часть молекулы (вся или почти вся) необходима для поддержания его пространственной организации; химическая структура активного центра ферментов, как правило, отличается выраженной эволюционной консервативностью (например, набор аминокислотных остатков, входящих в состав активного центра трипсина, один и тот же у всех представителей в ряду позвоночных); интересно отметить, что у некоторых сложноорганизованных ферментов имеется несколько различных активных центров, благодаря чему они способны последовательно катализировать цепь “жестко” связанных реакций метаболизма, например, биосинтеза жирных кислот (фермент синтетаза жирных кислот содержит шесть активных центров).

- наряду с активным центром в молекуле ряда ферментов имеются: ал-

лостерический центр - для взаимодействия с регуляторными агентами (гормонами, метаболитами) и аллотопический центр - для прикрепления к мембранным структурам.

- ферменты могут функционировать в свободном состоянии, в составе многоферментных комплексов, а также будучи встроенными в структуру мембран и других образований (рибосом, клеточного центра и др.).

10) Денатурация белков.

- определение: процесс утраты белком четвертичной, третичной и вторичной структур.

- денатурирующие факторы: физические (температура - выше 50-60^оС или ниже 10-15^оС, УФ, ионизирующая радиация), химические (кислоты, щелочи, спирт, ацетон, мочевина, тяжелые металлы и др.).

- перестройка структуры белка: диссоциация на субъединицы (протомеры; для белков, имеющих четвертичную структуру), а затем переход каждой субъединицы в состояние “статистического клубка” (рыхлый клубок с неупорядоченной и изменяющейся под влиянием тепловых колебаний структурой).

- последствия: уменьшение растворимости, утрата функциональной активности

- обратимость (ренатурация); у некоторых относительно просто организованных белков (например, рибонуклеазы) при прекращении воздействия денатурирующего фактора наблюдается самопроизвольное восстановление нативной структуры и функций, у более сложно организованных (например, амилазы) такой процесс не возможен (по причине отсутствия в системе соответствующих ферментов, вспомогательных белков и АТФ).

- судьба денатурированных белков; к белкам, подвергшимся

необратимой денатурации, присоединяется специальная “метка” из особого олигопептида, после чего образовавшиеся комплексы узнаются и расщепляются гидролазами до небольших фрагментов и аминокислот

- биологическое значение; в качестве иллюстрации можно рассмотреть процесс отвердения нити паутины, первоначально имеющей полужидкую консистенцию, под действием механического фактора (паук после прикрепления одного конца “свежей” нити паутины к тому или иному предмету дергает за другой конец).

- практическое значение; способность белков к денатурации лежит в основе большинства способов стерилизации (медицинских растворов, хирургического инструментария и т.д.) и консервации (пищевых продуктов).