Физиологическая роль и применение в медицине некоторых аминокислот

Небелковую (т. е. не аминокислотную) часть молекулы называ­ют простетической группой; она определяет классификацию бел­ков на группы:

гликопротеины — аминокислоты + углеводы;

липопротеины — аминокислоты + липиды;

нуклеопротеины — аминокислоты + нуклеотиды;

фосфопротеины — аминокислоты + фосфорная кислота;

металлопротеины — аминокислоты + ионы металлов.

Если сложный белок является ферментом, то его простетическая (небелковая) группа нередко является коферментом, т. е. со­единением, необходимым для проявления каталитической актив­ности фермента. Протеиновую (белковую) часть фермента в этом случае называют апоферментом. Отнесение белка к тому или ино­му классу делают на основе его первичной структуры.

Строение белков. Вторичная структурабелков (как и пепти­дов) отражает расположение полипептидной цепи в простран­стве. Характер пространственной структуры полипептидной цепи обусловлен дополнительным образованием пяти типов связей между отдельными аминокислотными остатками, стабилизиру­ющих структуру белковой молекулы:

1) дисульфидные мостики;

2) водородные связи;

3) ионные связи;

4) гидрофобные связи;

5) гидратируемые группы.

При этом связываемые остатки могут находиться и на доста­точно удаленных друг от друга участках полипептидной цепи.

Рассмотрим основные типы связей, реализующихся в белко­вых молекулах.

1.Дисульфидные мостики образуются между остатками цистеина за счет окисления тиольных групп в дисульфидные:

Мостики возникают как между остатками цистеина, располо­женными в одной цепи (как, например, в окситоцине или вазопрессине), так и между остатками, находящимися в разных це­пях, если белок состоит из более чем одной полипептидной еди­ницы, как в инсулине (рис. 12) или иммуноглобулинах.

2. Водородные связитакже являются ключевыми при формиро­вании вторичной структуры белка, так как образование каждой водородной связи стабилизирует молекулу. Геометрия пептидной связи позволяет существование полипептидной цепи в несколь­ких видах:

а) «сложенный лист»;

б) α-спираль;

в) неупорядоченная структура.

Водородные связи могут образовываться между карбонильной группой одной пептидной связи и группой NH другой связи. При­чем связываемые группировки могут находиться как в одной и той же цепи, так и в разных цепях:

Рис. 12 Фрагмент молекулы инсулина быка.

α-Спираль возникает за счет внутрицепочечных водородных свя­зей, когда группы N—Н и С=0 находятся на разных участках од­ной и той же полипептидной цепи. Такой тип водородных связей возможен только в том случае, если основная цепь сворачивается в спираль с шагом в 3,6 аминокислотных остатка. Только при таком взаимном расположении групп N—Н и С=0, принадле­жащих разным пептидным связям, виток спирали фиксируется водородной связью. Спиралевидная структура обеспечивает бо­лее энергетически выгодное расположение боковых групп друг относительно друга, что особенно существенно для аминокис­лотных остатков с объемными заместителями при α-углеродном атоме.

Неупорядоченная структура характерна только для отдельных фрагментов цепи, которые чаще всего появляются между спирализованными и складчатыми участками в ходе формирования тре­тичной структуры белка.

3. Ионные связиявляются результатом электростатического вза­имодействия и появляются в тех случаях, когда в боковой цепи имеются заряженные группы — катионы NH₄⁺ (протонированные аминогруппы лизина, гуанидиновые группировки аргинина, ос­новные атомы азота имидазольного кольца гастидина) и анионы СОО" (карбоксилат-анионы аспарагиновой и глутаминовой кис­лот). Возможно и электростатическое взаимодействие N- и С-концов полипептидной цепи.

4. Гидрофобные связи (гидрофобные взаимодействия)представля­ют собой результат несвязного взаимодействия неполярных алкильных групп боковых цепей таких аминокислот, как аланин, валин, лейцин, изолейцин за счет сил Ван-дер-Ваальса.

5. Гидратируемые группыоказывают влияние на формирование вторичной структуры белка, тогда когда молекулы воды, окружа­ющие белковую молекулу, могут образовывать структуру, подоб­ную структуре льда.

Очень важно, что из всех перечисленных вариантов внутри- и межмолекулярных взаимодействий только дисульфидные мости­ки не зависят от показателя рН среды, полярности растворителя и ионной силы раствора. Дисульфидные мостики разрушаются только под действием восстановителей.

Организованная определенным образом во вторичную струк­туру молекула белка затем укладывается в компактную плотную структуру, называемую третичной структурой белка. В ее образо­вании участвуют как регулярные (спирализованные или β-складчатые), так и аморфные участки полипептидной цепи.

В некоторой степени третичная структура белков отражена в системе классификации белков, основанной на их растворимости в водных средах. В этом варианте классификации различают глобу­лярные белки, растворимые в воде и водных растворах кислот, ос­нований и солей, и фибриллярные белки, не растворимые в этих растворителях.

Третичная структура фибриллярных белков характеризуется нитевидностью (лат. fibrilla — волоконце). Длина молекул этих белков в сотни раз больше их диаметра, что обусловлено па­раллельной (или антипараллельной) ориентацией их цепей. Цепи фибриллярных белков группируются друг около друга в виде протяженных пучков и отличаются очень большим числом меж­цепочечных водородных связей. Такие молекулы не растворимы в воде, так как растворение требует высоких энергетических затрат на разрыв водородных связей, и очень прочны, поэтому они являются основным строительным материалом живых тка­ней (например, кератины, коллаген, эластин, миозин, фибро­ин и пр.).

Третичная структура глобулярных белков имеет вид компакт­ных клубочков (лат. globulus — шарик). В глобулярных белках пре­обладают внутримолекулярные водородные связи; число межмо­лекулярных связей невелико. Все или почти все полярные груп­пы глобулярных белков расположены на поверхности молекул; гидрофобные остатки находятся внутри свернутой цепи. Гидра­тация молекул энергетически выгодна из-за доступности поляр­ных групп и немногочисленности межмолекулярных водородных связей, что и обеспечивает высокую растворимость глобулярных белков. В организме глобулярные белки выполняют роль регуля­торов и стабилизаторов процессов жизнедеятельности; к ним относятся ферменты, гормоны, глобулины, альбумины, ткане­вые белки и т.д.

У ряда белковых соединений несколько сложных полипептид­ных цепей могут агрегироваться вместе, создавая более сложный комплекс определенного строения, называемый четвертичной структурой белка. Каждую полипептидную цепь, образующую чет­вертичную структуру, называют субъединицей. Она сохраняет свойственные ей первичную, вторичную и третичную структуры, од­нако биологическая роль комплекса в целом отличается от биоло­гической роли субъединиц вне комплекса. Фиксация четвертич­ной структуры обеспечивается водородными связями и гидрофоб­ными взаимодействиями между субъединицами. Например, моле­кула гемоглобина — белка с четвертичной структурой — состоит из четырех субъединиц, окружающих гем (простетическую желе­зосодержащую группу — железопорфирин); между субъединица­ми нет ковалентной связи, однако тетрамер представляет собой единое целое, в котором субъединицы прочно связаны и ведут себя в растворе как одна молекула. Наличие четвертичной струк­туры характерно также для других металлопротеинов и для имму­ноглобулинов. При формировании четвертичной структуры белка образующийся комплекс может содержать помимо субъединиц по­липептидной структуры и субъединицы иной полимерной приро­ды, а также соединения других классов.

Изменение условий, в которых находится молекула белка: варь­ирование рН среды, повышение температуры, облучение УФ-светом, рентгеновскими лучами, сильное механическое воздействие, давление, ультразвук — приводят к разрушению связей, обеспе­чивающих сохранение четвертичной, третичной и даже вторич­ной структуры, и, следовательно, к разрушению уникальной нативной (созданной природой) структуры белка. Этот процесс но­сит название денатурациибелка. Нарушение нативной конформации белка может быть обратимым (если изменение структуры легко устранимо и нативная структура восстанавливается) и не­обратимым (особенно выражено при повышении температуры, лучевом воздействии, обработке сильными кислотами и щелоча­ми). Денатурация белка сопровождается снижением гидрофильности белковых молекул, уменьшением стабильности растворов белка в изоэлектрической точке, повышением реакционной спо­собности функциональных групп молекулы. Большинство белко­вых молекул проявляют специфическую функциональную актив­ность только в узком интервале значений рН и температуры (фи­зиологические значения). В результате изменений указанных пара­метров белок теряет активность из-за денатурации. Денатуриро­ванные белки существуют в виде случайных хаотических петель и клубков, форма которых подвержена изменениям.

Поверхностные свойства белков.Белки являются поверхност­но-активными веществами, что связано с наличием в молекуле фрагментов с различными гидрофильно-гидрофобными свойства­ми. Поверхностную активность белки проявляют прежде всего за счет боковых цепей. Таким образом, белки являются стабилиза­торами лиофобных дисперсных систем — эмульгаторами жиров и холестерина; осуществляют транспорт жиров из кишечника в ткани.

Каждый белок имеет свойственные только ему последовательность аминокислотных остатков, пространственную структуру и функции.

Функции белков в организме разнообразны.

1. Каталитическая функция

Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечные сокращения, нервная проводимость функционирование клетки в целом происходят под действием высокоспецифических и высокоэффективных катализаторов ферментов, Являющихся белками, например, рибонуклеаза, каталаза, алкогольдегидрогеназа По своей эффективности ферменты в Миллионы и Миллиарды раз превосходят эффективность химических катализаторов. К настоящему времени охарактеризовано несколько тысяч ферментов, свыше тысячи из них получены в индивидуальном состоянии, В соответствии с типом катализируемых реакций ферменты подразделяются на оксидоредуктазы (ОВР), трансферазы (реакции переноса функциональных групп), гидролазы (реакции гидролиза), лиазы (реакции отщепления групп негидролитическим путем), изомеразы (реакции изомеризации) лигазы (реакции синтеза за счет энергии АТФ).

2. Строительная или пластическая функция

Структурные белки составляют основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований, мембран. Например, коллаген соединительных тканей, α-кератин волос и шерсти, мембранные белки. Коллаген составляет около 1/З всех белков позвоночных. Волокнам коллагена очень прочны, они входят в состав сухожилий, кожи, хрящей, кровеносных сосудов.

З. Сократительная функция

Белки сократительной системы участвуют в организме в выполнении механической работы, а следовательно, в движении. Перемещение хромосом в процессе деления клеток, проникновение вируса в бактерию, транспорт веществ через мембрану, движение микроорганизмов и работа мышц — это примеры трансформации химической энергии в энергию движения. Примеры сократительных белков: миозин, актин (белки мышц).

4. Регуляторная функция

Регуляторные белки регулируют обменные процессы, контролируют биосинтез белков и нуклеиновых кислот. К ним относятся и пептиднобелковые гормоны, которые секретируются эндокринными железами. К белковым гормонам относятся такие важнейшие соединения, как инсулин, гормон роста соматотропин, некоторые гормоны гипофиза — центральной железы внутренней секреции: тиротропин, гонадотропин, лютропин, липотропин. Паратгормон синтезируется в паращитовидных железах.

5. Транспортная функция

Транспортные белки (белки-переносчики) осуществляют перенос метаболитов, ионов, липидов, сахаров, аминокислот по руслу крови, во внеклеточных тканевых жидкостях, а также внутрь клеток через биологические мембраны (гемоглобин, миоглобин — переносчики кислорода). Липопротеины плазмы переносят липиды в виде белоклипидных комплексов.

6. Энергетическая функция

Большое значение имеют пищевые и запасные белки, которые снабжают организм энергией (казеин, проламины). При расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии. Преобразование и утилизация энергии, поступающей в организм с пищей, а также энергии солнечного излучения происходит при участии белков биоэнергетической системы (родопсин, цитохромы).

7. Защитная функция

Защитные системы высших организмов формируются защитными белками. К ним относятся некоторые наиболее изученные белковые вещества, участвующие в проявлении защитных реакций организма. Основу их составляют белки иммунной системы (иммуноглобулины, которые ответственны а иммунитет; антигены тканевой совместимости, интерлейкины, интерфероны-противовирусные белки и т.п.), а также белки системы свертывания крови (тромбин, фибрин).

Белки — необходимая составная часть продуктов питания. Недостаток белков в пище вызывает тяжелое заболевание — квашиоркор. В процессе пищеварения белки подвергаются гидролизу до аминокислот. Пищевая ценность белков зависит от содержания в них незаменимых аминокислот (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин). Растительные белки в питательном отношении менее ценны, чем животные. Они беднее лизином, метионином, триптофаном, труднее перевариваются.

Инсулин — один из первых белков, первичная структура которого была установлена в 1954 г. Это гормон, вырабатываемый в поджелудочной железе. Молекула инсулина человека (М — 5807) состоит из двух пептидных цепей, соединенных между собой двумя дисульфидными мостиками. Одна цепь содержит 21 аминокислотный остаток, а другая — 30. Инсулин обнаружен у всех позвоночных. Основная физиологическая функция инсулина — регуляция уровня глюкозы в крови. Он улучшает усвоение глюкозы тканями и стимулирует ее превращение в гликоген, облегчает проникновение глюкозы в клетки. При нарушении функции поджелудочной железы количество вырабатываемого в организме инсулина уменьшается. Возникает тяжелое нарушение обмена веществ (сахарный диабет), при котором в крови резко повышается концентрация глюкозы (гипергликемия), наблюдается избыточное выведение глюкозы с мочой (глюкозурия), нарушается синтез белков и жиров. Введение инсулина дает лечебный эффект.

Для медицинских целей инсулин получают из поджелудочной железы животных.

Инсулин как лекарство применяют при сахарном диабете, в некоторых случаях — при общем истощении, поражениях печени, а также в лечении некоторых психических заболеваний.