voronina

також має деякі недоліки, наприклад, при класифікації біфункціона- льних білків, проте вона дає можливість глибшого розуміння взаємо- зв'язку структури і функції молекул білка.

Інша спроба полягає в класифікації білків відповідно до особ-

ливостей їх вторинної і третинної структур. Згідно з цією класифі-

кацією серед глобулярних білків виділено 4 класи: α-, β-, α+β-, і α/β-білки (див. вище). До класу α-білків відносять глобулярні білки, які містять лише α-спіралі в кількості не менше 60% від поліпеп- тидного ланцюга, до складу якого вони входять; до класу β-білків – ті, що містять тільки β-структури, найчастіше не менше двох анти- паралельних ланцюгів. До класу α+β-білків відносять білки, що мі- стять ті чи інші структури в межах одного й того ж поліпептидного ланцюга (причому один домен складається з α-спіралей, а інший – із β-шарів), до класу α/β-білків – ті, що містять чергування вздовж поліпептидного ланцюга α-спіралей і β-структур, або один чи декі- лька β-шарів, оточених декількома α-спіралями кожен. Більшість білків згідно з цією точкою зору належать до α/β-класу, якому за чисельністю трохи поступається β-клас; α-клас і α+β-клас менш поширені, аніж два перші (за Ю.Б.Филиповичем, 1985 р.). Слід ма- ти на увазі, що є нечисленні глобулярні білки, цілком позбавлені будь-якої вторинної структури, тому їх не можна віднести ні до од- ного із вищезазначених класів.

Прості білки розділяють на такі класи: альбуміни, глобуліни,

протаміни, гістони, проламіни, глютеліни, протеїноїди.

Альбуміни. Це водорозчинні білки, які осаджуються при наси- ченні розчинів нейтральними солями, наприклад (NH4)2SO4. Аль- буміни широко розповсюджені в природі. Вони складають біля 50% усіх білків плазми людини. Молекулярна маса альбумінів 35000–70000. Молекули їх мають еліпсоїдну форму, яка є компак- тнішою і симетричнішою, ніж у глобулінів. Для хімічного складу характерним є вміст лейцину (I5%), значної кількості сірковміс- них амінокислот, лізину, аспарагінової і глутамінової кислот, а також незначний вміст гліцину. Деякі альбуміни зовсім не міс- тять цієї амінокислоти (альбумін сироватки крові). Основні фун- кції альбумінів – регуляція осмотичних процесів і транспорт. При зменшенні вмісту альбумінів порушується транспорт ліпідів. Во- ни регулюють також вміст у плазмі крові іонів Са2+, стероїдних гормонів, деяких лікарських препаратів (дикумарину, пеніциліну, аспірину), утворюючи з ними комплекси.

Глобуліни. Глобуліни, як і альбуміни, дуже поширені у складі тваринних і рослинних тканин. На відміну від альбумінів, глобу- ліни не розчиняються в концентрованих розчинах нейтральних солей. Із тканин їх виділяють за допомогою екстрагування 10% розчином солей. При підвищенні концентрації солей розчинність глобулінів зменшується, а в 50% розчині вони випадають в осад.

51

Молекулярна маса глобулінів – 0,9-1,5 млн. Вони більш грубодис- персні і менш гідрофільні, ніж альбуміни. За хімічним складом глобуліни дещо відрізняються від альбумінів і містять більше гліцину ( 5%) і меншу кількість сірковмісних амінокислот. Під час електрофорезу білки сироватки крові в залежності від рухли- вості розподіляються на декілька фракцій, серед яких альбуміни становлять 54–58%, фракція глобулінів неоднорідна і розділяєть- ся на α1-глобуліни (6–7%), α2-глобуліни (8–9%), β-глобуліни (13– 14%), γ-глобуліни (11–12%). За допомогою імунофорезу білки си- роватки крові можна розділити на 16–19 фракцій, кожна з яких виконує специфічну роль у процесах метаболізму.

Гістони. Це лужні білки з молекулярною масою 12000–30000, які містять 20–30% лужних амінокислот. Вони розчиняються у слаб- ких кислотах, осаджуються спиртом, не містять триптофану і, у біль- шості випадків, цистеїну і цистину. Основна маса гістонів входить до складу хромосом ядер клітин і відіграє важливу роль у стабіліза- ції ДНК. Певну роль вони виконують у процесах біосинтезу білків, оскільки є компонентами дезоксирибонуклеопротеїнів ядра. Згідно з даними РСА й електронної мікроскопії гістони не знайдено в хро- мосомах тих організмів, які не мають сформованого клітинного ядра (прокаріот).

Протаміни. Це сильно лужні білки з низькою молекулярною ма- сою (до 12000), завдяки чому деякі з них проходять через целофан при діалізі. Протаміни розчиняються в слабких кислотах, не осаджу- ються при кип'ятінні; у їх молекулі вміст диаміномонокарбонових кислот становить близько 80%, особливо багато аргініну. У протамі- нах не зустрічаються цистеїн, триптофан, аспарагін, найчастіше від- сутні тирозин, фенілаланін, тому вони не дають багатьох кольорових реакцій на білок. Завдяки високому вмісту основних амінокислот протаміни являють собою полівалентний органічний катіон, що лег- ко реагує з молекулами, які мають надлишок негативно заряджених груп, наприклад, із нуклеїновими кислотами. Протаміни надають ДНК біологічної інертності, що є необхідною умовою збереження спадкових властивостей організму. Протаміни широко розповсю- джені в природі. Вони містяться в статевих клітинах тварин і людини і складають основну масу білків хроматину.

Проламіни. Ця група білків дуже поширена в рослинних організ- мах, добре розчиняється в 60–80% етиловому спирті, до їх складу входить багато проліну, а також глутамінової кислоти. У дуже незна- чній кількості до складу цих білків входять лізин, аргінін, гліцин.

Глютеліни. Як і проламіни, – це білки рослинного походження, добре розчинні в лужних розчинах (0,2–2% NаОН). До їх складу вхо- дить велика кількість глутамінової кислоти і лізину.

Протеїноїди. Це важкорозчинні білки, котрі не розчиняються у во- ді, розчинах солей та в розчинах кислот і лугів; для їх складу характе-

52

рною є висока частка сірковмісних амінокислот. До протеїноїдів на- лежать фібрилярні білки: кератини, колагени, фіброїни шовку та ін. Вони відрізняються високою стійкістю й еластичністю. Протеїноїди слабко розщеплюються ферментами кишкового тракту, тому погано засвоюються і сприяють процесам гниття в кишечнику.

Природні пептиди

У живих організмах виявлено досить багато вільних пептидів. Частина з них утворюється в певних умовах у результаті часткового ферментативного гідролізу, а частина – зустрічаються як вільні спо- луки, не зв'язані зі структурою білка. Інтерес до природних пептидів зумовлений їх надзвичайно високою біологічною активністю. Багато з них мають виразну фармакологічну дію і становлять інтерес як лі- карські засоби.

На відміну від білкових поліпептидів природні пептиди більш різноманітні за складом: досить часто мають залишки D-аміно- кислот, β-амінокислот, містять циклічні фрагменти, розгалужені ла- нцюги тощо. Природні пептиди залежно від характеру дії та похо- дження поділяються на декілька груп: пептиди, яким властива гор- мональна активність (вазопресин, окситоцин, кальцитонін, глюка- гон, кортикотропін та ін.); регуляторні пептиди (пептиди гіпотала- муса – ліберини і статини; пептиди м'язів – ансерин, карнозин та ін.); нейропептиди мозку (енкефалін, ендорфін, скотофобін, пептиди па- м'яті, сну і т.д.); пептиди, які беруть участь у процесах травлення (га- стрин, секретин та ін.); тканинні гормони (ангіотензин, брадикінін, калідин, атріопептиди та ін.); антибіотики (граміцидини А, В, С і ак- тиноміцин Д та ін.); алкалоїди (ерготамін, пандамін та ін.). Таким чином, біологічна активність більшості пептидів пов'язана з їх регу- ляторною функцією, причому точки прикладання їх дії і ефективність в організмі є дуже різноманітними.

Ансерин і карнозин є дипептидами, які містяться в м'язах люди- ни і тварин. До їхнього складу входять незвичайні амінокислоти β-аланін і метилгістидин.

Карнозин (β-аланіл-L-гістидин)

Ансерин (N-метилкарнозин)

Вони підвищують ефективність іонних насосів м'язової клітини й амплітуду м'язових скорочень.

53

Трипептид глутатіон (γ-глутамініл-цистеїл-гліцин; глу-цис-глі; Г-SH) – один із найпоширеніших пептидів, міститься в усіх клітинах тварин і людини, рослин і бактерій.

Глутатіон

Бере участь у ряді окислювально-відновних процесів:

Глутатіон захищає сульфгідрильні (-SH) групи білків від окис- лення, входить як небілкова частина до складу деяких ферментів (як кофермент), бере участь у механізмі транспорту амінокислот через клітинні мембрани кишкового епітелію та інших клітин у складі фе- рменту γ-глутамініл-трансферази, яка знаходиться в мембрані. Бере участь у розкладанні пероксиду водню, що утворюється в еритроци- тах внаслідок обмінних процесів або аутоокислення лікарських пре- паратів, і в детоксикації низки сторонніх для організму сполук (ксе- нобіотиків), у тому числі лікарських препаратів, шляхом кон'югації (об'єднання) з ними. При цьому утворюються парні, більш розчинні у воді сполуки, які легко виводяться через нирки.

До вільних пептидів належать тканинні гормони – калідин і брадикінін, що утворюються шляхом розщеплення загального по- передника кініногену. Вони збільшують проникність капілярів і є найсильнішими збудниками больових відчуттів. Брадикінін – ліній- ний нонапептид: арг-про-про-глі-фен-сер-про-фен-арг; калідин від- різняється від нього наявністю ще одного амінокислотного залиш- ку з N-кінця – лізину.

Нейропептиди містяться, переважно, у головному мозку. До них належить група так званих опіоїдних пептидів, оскільки вони взаємо- діють із тими ж рецепторами, що й опіатні речовини (наприклад, морфін) і близькі до них за своєю дією. Представниками їх є α-, β-, γ-ендорфіни, α- і β-неоендорфіни, динорфін, пентапептиди метіонін- енкефалін (тир-глі-глі-фен-мет) та лейцин-енкефалін, який відрізня- ється від першого останньою амінокислотою: замість метіоніну

влейцин-енкефаліні знаходиться лейцин, що відображено у їхній на- зві. Опіоїдні пептиди справляють модулюючий вплив на передачу нервових імпульсів у ряді відділів центральної нервової системи (ЦНС). Велику кількість рецепторів зв'язування ендопіоїдів знайдено

вгіпоталамусі, таламусі, нейрогіпофізі і ряді інших відділів ЦНС, во- ни зустрічаються й у периферичній нервовій системі. Ендопіоїди бе-

54

руть участь у регуляції процесів, пов'язаних зі сприйняттям болю, впливають на серцево-судинну діяльність, стресові реакції та на деякі інші фізіологічні функції. Під час знеболювання голковколюванням відбувається підвищення їх вмісту в спинно-мозковій рідині, що свід- чить про активацію цієї системи. На особливу увагу заслуговує синтез опіоїдних пептидів як лікарських засобів, що виявляють знеболюючу дію і використовуються як замінники наркотичних препаратів. На даний час деякі з опіоїдних пептидів отримані синтетичним шляхом, проте виявилось, що після введення в організм вони швидко руйну- ються ферментами. Для підвищення стабільності їх захищають шля- хом заміни окремих амінокислот L-ряду на залишки D-амінокислот або створення різних модифікацій амінокислот, які входять до скла- ду опіоїдних пептидів. Подібна заміна лише трохи зменшує їх біоак- тивність, проте сприяє пролонгованій дії препарату.

Останнім часом з екстрактів тканини передсердя тварин і люди- ни були виділені атріопептиди, які беруть участь у регуляції тонусу серцево-судинної системи й електролітичного обміну. Фізіологічний ефект їх виявився протилежним стосовно системи ренін-ангіо- тензин-альдостерон. Атріопептиди розширюють судини, підсилю- ють клубочкову фільтрацію, стимулюють виведення натрію і хлори- дів за рахунок пригнічення їх реабсорбції в канальцях. Атріопептиди (від лат. atrio – передсердя) побудовані з різної кількості залишків амінокислот – від 23 до 100, але для виявлення біологічного ефекту обов'язковою є присутність у молекулі 17-членного кільця, яке утво- рюється за рахунок дисульфідного зв'язку між залишками цистеїну.

Кейлони (хейлони) – це тканиноспеціфичні гормони місцевої дії, представлені пептидами або білками. Вони пригнічують мітотичну активність інших клітин, попереджують їх злоякісний ріст.

Пептидні антибіотики мають антибактеріальну дію і використо- вуються як лікарські засоби. Так, граміцидин А (циклодекапептид) є іонофором і діє на біологічні мембрани, утворюючи комплексони з іонами металів, чим порушує регуляцію іонної проникності в мем- бранах бактерій. До складу його молекули входять D-амінокислоти й амінокислота орнітин (орн):

Пептидно-білкову природу мають багато токсичних речовин: токсини отруйних грибів, отрути змій, скорпіонів, бджіл. Найчастіше

55

вони блокують біосинтез білка в клітинах еукаріот. З іншого боку, в деяких грибах у тих же тканинах містяться й антитоксини, які ущі- льнюють мембрани клітин печінки і знижують їх проникність для токсинів. Вивчення токсинів і антитоксинів становить інтерес у світлі пошуку сполук, які знешкоджують токсини.

Крім переліченого, деякі пептиди виконують низку інших, дуже важливих і цікавих функцій. Так, відкрито гормони, які відповідають за індукцію сну; пептиди, які беруть участь у процесах пам'яті і розу- мового розвитку, у набутті умовних рефлексів. Простежується зв'язок між відхиленнями психічної діяльності людини від норми і вмістом певних пептидів у мозку.

56

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ СКЛАДНИХ БІЛКІВ

Складні білки (колишня назва – протеїди) складаються із двох компонентів – простого білка і небілкової речовини. Останню нази- вають простетичною групою (від грецьк. prostheto – приєдную, до- даю). Білкові й небілкові компоненти складних білків зв'язані між собою ковалентними та нековалентними зв'язками. В організмі складны білки виділяються і функціонують як єдине ціле.

У залежності від хімічної природи простетичної групи складних білків вони поділяються на: хромопротеїни (містять як простетичну групу забарвлений небілковий компонент), глікопротеїни (містять вуглеводи та їхні похідні), ліпопротеїни (містять ліпіди), фосфопро- теїни (містять фосфорну кислоту), нуклеопротеїни (до їхнього скла- ду входять нуклеїнові кислоти), металопротеїни (містять різномані- тні атоми металів). Нижче розкрито хімічну природу і біологічну роль складних білків.

Хромопротеїни

Хромопротеїни складаються з простого білка і зв'язаного з ним забарвленого небілкового компонента, звідки і походить їхня назва (від грецьк. chroma – колір, барва). До хромопротеїнів належать гемп- ротеїни (які містять як простетичну групу гем), хлорофілпротеїни (простетична група – хлорофіл), флавопротеїни (як простетичну групу містять похідні ізоалоксазину), ретинальпротеїни (простетична група

– вітамін А в альдегідній формі), кобамідпротеїни (простетична група представлена вітаміном В12) та ін.

Хромопротеїни відіграють виключно важливу роль у процесах життєдіяльності організмів. Вони беруть участь у таких фундамен- тальних процесах, як фотосинтез, дихання клітин і організму в ціло- му, транспорт кисню і вуглекислого газу, окислювально-відновні ре- акції, світло- і кольоросприйняття тощо.

Гемпротеїни. До групи гемпротеїнів належать гемоглобін і його похідні, міоглобін, ферменти (уся цитохромна система, ка- талаза, пероксидаза).

Характерною структурною особливістю гемпротеїнів є їхня небілкова частина, яка представлена гемом. Але різні за структу- рою і складом білки гемпротеїнів забезпечують різноманіття біо- логічних функцій. На їхньому прикладі простежується зв'язок між структурою і функцією білків взагалі. Основою будови гему є пор- фірин. Порфірин складається з чотирьох пірольних кілець, з'єдна- них між собою α-метиленовыми місточками (–СН=). У залежності від хімічної природи груп, які знаходяться в бічному ланцюзі, пор- фірини мають багато ізомерів. З можливих 15 ізомерів протопор- фіринів найпоширенішим виявився протопорфірин IX. Він має в по-

57

ложеннях 1, 3, 5 і 8 метильні, у положеннях 2 і 4 вінільні, а в поло- женнях 6 і 7 пропіонільні групи.

Хелатний комплекс протопорфірину IX з Fe2+ називається прото- гемом або гемом. Fе2+ у гемі зв'язане з двома атомами азоту піроль- них кілець ковалентно і з двома іншими атомами азоту пірольних кі- лець координаційно. Структура гему була розшифрована в основному завдяки працям М.В.Ненцького та Е.Фішера.

Основні представники гемпротеїнів – це гемоглобін і міоглобін. Дж.Кендрю і М.Перутц розшифрували конформацію цих молекул (Нобелівська премія 1962 р.). Гемоглобін має четвертинну структуру (тетраедр) і складається з чотирьох молекул гему і чотирьох поліпе- птидних ланцюгів (субодиниць) – двох альфа (α) і двох бета (β). Во- ни відрізняються один від одного довжиною та амінокислотним складом. α-Ланцюги містять по 141 амінокислотному залишку, β-лан- цюги – по 146. Глобін зв'язується як з порфіриновим кільцем гему, так і з атомом заліза. Залізо зв'язується з імідазольним радикалом гістидину молекули білка. Залишки пропіонової кислоти гему утво- рюють один-два іонні зв'язки з білком. Третинні структури α- та β-ланцюгів дуже подібні. Всередині кожної субодиниці є гідрофобна «кишеня», в якій розташовується гем. Гем міцно утримується в цій «кишені» завдяки ван-дер-ваальсовим зв'язкам між неполярними ча- стинами гему та гідрофобними радикалами амінокислот. Зв'язки між субодиницями одного типу мають іонний чи сольовий характер.

Гемоглобін міститься в еритроцитах хребетних і виконує дві ва- жливі біологічні функції: 1) переносить кисень з легенів до перифе-

58

ричних тканин; 2) переносить СО2 і протони від периферичних тка- нин до дихальних органів для подальшого виведення з організму.

Гемоглобін зв'язує чотири молекули кисню на тетрамер, тобто по одній на гем у кожній субодиниці. Крива насичення гемоглобіну киснем має сигмоподібну форму. У молекулі гемоглобіну чотири геми працю- ють узгоджено. Така поведінка гемів називається кооперативною. Здат- ність гемоглобіну зв'язувати кисень залежить від того, чи містяться в даному тетрамері інші молекули кисню. Якщо містять, то наступні мо- лекули кисню приєднуються легше. Наприклад, остання (четверта) мо- лекула киснюзв'язується з гемом у500 разівшвидше, ніж перша.

Кінетика оксигенування гемоглобіну така. Перша молекула кис- ню з'єднується з гемом α1-субодиниці. Унаслідок цього два іонних зв'язки α1-α2 розриваються. Субодиниці стають більш рухомими, що полегшує приєднання другої молекули кисню до гему α2-субодиниці. Потім наступні α1-α2 іонні зв'язки також розриваються, що дає мож- ливість решті гемів зайняти вигідне положення для приєднання кис- ню. Третя молекула кисню з'єднується з β1-субодиницею. Один з іон- них β1-β2-зв'язків розривається, полегшуючи доступ кисню до наступ- ного атома заліза гему β2-субодиниці. При цьому розривається останній іонний зв'язок β1-β2. Завантажений киснем гемоглобін від- дає його спочатку важко, а потім усе легше і легше.

Під час оксигенування атом заліза, який у дезоксигемоглобіні ви- ступає на 0,06 нм за площину гемового кільця, втягується в цю площи- ну. Потім за атомом заліза ближче до гему пересувається і проксима- льний гістидин, а також зв'язаніз ним сусідні залишкиамінокислот.

Оксигемоглобін звільняється від кисню на 80% унаслідок чотири- кратного перепаду парціального тиску кисню(від80 мм рт. ст. до 20 мм рт.ст.). У разі автономної дії гемів таке розвантаження гемоглобіну по- требує90-кратного перепаду тиску.

Гемоглобін не тільки переносить кисень від легенів до перифе- ричних тканин, але й прискорює транспорт вуглекислого газу (СО2) від тканин до легенів. Гемоглобін зв'язує вуглекислий газ зразу після вивільнення кисню; близько 15% СО2, що присутній у крові, перено- ситься молекулами гемоглобіну. Карбоангідраза, яка знаходиться в еритроцитах, каталізує перетворення вуглекислого газу, що надхо- дить з тканин, у вугільну кислоту. Вугільна кислота швидко дисоціює на гідрокарбонат-іон і протон, причому рівновагу зміщено в бік ди- соціації. Щоб запобігти небезпечному підвищенню кислотності кро- ві, повинна бути буферна система, здатна поглинати надлишок про- тонів. Гемоглобін зв'язує два протони на кожні чотири звільнені мо- лекули кисню і визначає буферну ємкість крові. У легенях йде зворо- тний процес: приєднання кисню до дезоксигемоглобіну супроводжу- ється звільненням протонів, котрі зв'язуються з гідрокарбонат-іона- ми, переводячи їх у вугільну кислоту. Далі ефективно діюча карбоан-

59

гідраза каталізує перетворення вугільної кислоти на вуглекислий газ, що видихається з легенів.

Таким чином, зв'язування кисню тісно пов’язане з видиханням вуглекислого газу. Це оборотне явище відоме як ефект Бора. Ефект Бора – це властивість тетрамерного гемоглобіну і визначається гем- гемовою взаємодією, яка лежить в основі кооперативних ефектів.

Похідні гемоглобіну. Як відомо, молекула гемоглобіну може вза- ємодіяти з різноманітними лігандами. Унаслідок взаємодії гемогло- біну з киснем утворюється оксигемоглобін (НbО2), взаємодії з вугле- кислим газом – карбгемоглобін (НbСО2). Вуглекислий газ приєдну- ється не до гему, а до N-кінцевих α-аміногруп амінокислот глобіну. Залізо в цих двох формах гемоглобінів залишається двовалентним.

Гемоглобін може з'єднуватися з чотирма молекулами СО (чад- ний газ) з утворенням карбоксигемоглобіну (НbСО). Спорідненість гемоглобіну з оксидом вуглецю в 300 разів більша, ніж із киснем, тобто для утворення НbСО потрібний у 300 разів нижчий парціаль- ний тиск. У результаті цього під час вдихання повітря, яке містить чадний газ, більша частина гемоглобіну перетворюється на карбок- сигемоглобін; оксигемоглобін не утворюється, порушується перенос О2 від легенів до тканин, у чому і полягає механізм отруєння чадним газом. Своєчасне збільшення парціального тиску кисню може викли- кати достатнє перетворення НbСО в НbО2.

Пероксиди, фериціанід, оксиди азоту, хінони можуть окислювати Fe2+ у гемоглобіні до Fe3+ з утворенням метгемоглобіну (метНb), який не приєднує ні кисень, ні чадний газ. Він у невеликих кількостях утво- рюється в нормі і ферментативним шляхом відновлюється до гемо- глобіну. Утворення значної його кількості (наприклад, при отруєнні аніліном, нітробензолом, оксидами азоту) спричиняє кисневе голоду- вання, а в тяжких випадках – і смерть. Однак метгемоглобін виявляє й інші властивості. Він легко зв'язує ціаніди з утворенням ціанметгемо- глобіну і рятує організм від їх смертельної дії. Завдяки цьому для ліку- вання отруєнь ціанідами застосовують метгемоглобінутворювачі.

Типи гемоглобіну. Розрізняють фізіологічні й аномальні типи ге- моглобіну. Фізіологічні утворюються на різних етапах розвитку ор- ганізму – від ембріонального до дорослого стану й відрізняються один від іншого набором поліпептидних ланцюгів, чи субодиниць. Їх позначають (НbP) – Говер 1 і Говер 2; фетальний гемоглобін (НbF);

гемоглобін дорослих НbА, НbА2, НbА3.

Встановлення первинної структури субодиниць молекули гемо- глобіну стимулювало дослідження, пов'язані з розшифровкою струк- тури так званих аномальних гемоглобінів.

Аномальні типи розрізняються або за складом ланцюгів, або, частіше, заміною амінокислот у ланцюгах. Виявлено понад сто ано- мальних типів гемоглобіну.

60