II. Биологическая химия

3. Белки

3.1. Общая характеристика белков

Белки — высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Название «протеины» (от гр. protos — первый, важнейший) точно отражает первостепенное биологическое значение белков. В оте­чественной литературе термин «белки» принят по аналогии с бел­ком куриного яйца, приобретающим при кипячении (денатура­ции) белый цвет.

Живая материя представляет собой сложную биологическую систему, где ведущую роль играют белки и нуклеиновые кислоты. белки занимают центральное место во всех химических процес­сах, обусловливающих обмен веществ в организме.

Белковыми веществами наиболее богаты органы и ткани жи­вотных. Источником белка служат также микроорганизмы и рас­тения. Большинство белков хорошо растворимы в воде. Однако некоторые органические вещества, выделенные из хрящей, волос, рогов, костной ткани, нерастворимые в воде, также отнесены к белкам, так как по химическому составу они близки к белкам, вы­меленным из мышечной ткани, сыворотки крови и т. д.

Важным признаком белков служит наличие в них азота, кото­рый входит в их состав как элемент аминокислот. В белках содержатся (% сухой массы): углерода — 49...55, кислорода — 21...23, азота — 15...17, водорода — 6...8, серы — 0,2...3, фосфора — 1...2.

В состав некоторых сложных белков входят железо, медь, иод, цинк, бор, марганец и другие элементы. Некоторые из них содер­жатся в очень малых количествах, но имеют жизненно важное значение. Так, железо в составе белков гемоглобина, миоглобина и цитохромов играет важную роль в процессе дыхания, медь — в окислительных процессах, иод входит в состав гормона щитовид­ной железы, кобальт —в состав витамина В₂, являющегося составной частью ряда ферментов и т.д. Количество азота в белках животного происхождения составляет в среднем 16 %, или на 1 г азота приходится 6,25 г белка (100: 16 = 6,25). Эту величину ис- ипользуют для вычисления содержания белка в различных тканях животных (метод Кьельдаля).

В организме животных содержится до 50 % белков от сухой массы, в семенах злаков — 8... 12, в семенах бобовых — 25...35, в клубнях (картофель) — 0,5...2 %.

Содержание белка в некоторых животных и растительных тка­нях представлено в таблице 3.1.

В природе белковые вещества находятся в различных состояни­ях. Например, белки молока, сыворотки крови представляют кол­лоидные растворы (золи), другие — твердые вещества, нераство­римые в воде (кератин шерсти, рога и т. д.). В некоторых органах белки находятся в полужидком состоянии (кожа, мышцы).

3.2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

Сейчас достоверно установлено, что наследственная информа­ция у любых живых организмов сосредоточена в молекуле дезок- сирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Не вызывает сомнения и то, что только белки являются теми молекулярными инструментами, при помощи которых реализуется эта генетическая информация. Без белков, в частности ферментов, ДНК не может реплициро­ваться, самовоспроизводить себя, т. е. не может реализовать свой­ства, необходимые для наследственной передачи генетической информации.

Основные проявления жизни — пищеварение, раздражимость, сократимость, способность к росту и размножению, движение, метаболизм — связаны с веществами белковой природы. Белки яв­ляются основой структуры и функции живых организмов, они вы­полняют чрезвычайно многообразные функции; полагают, что в природе существует 10¹⁰...10¹² различных белков, обеспечивающих существование 1,2 · 10⁶ видов живых организмов различной слож­ности организации. В клетке Escherichia coli содержится около

3000 различных белков, а в организме животных их насчитывается около 100 000. Из этого огромного количества разнообразных бел­ков сейчас известно строение более 3000. Самое удивительное зак­лючается в том, что все эти разнообразные белковые молекулы по- строены из сравнительно простых блоков (кирпичиков) — амино- кислот. В состав природных белков входит всего около 20 амино­кислот.

В организме белки выполняют следующие основные функции.

Каталитическая функция. Все известные к настоящему времени биологические катализаторы (свыше 3000) — ферменты — пред­ставляют собой белки. Каталитическая функция белков уникаль­на, несвойственна другим полимерным молекулам. Хотя в после­днее время установлено, что рибонуклеиновые кислоты (РНК) также могут обладать ферментативной активностью. Их называют рибозимами.

Питательная (резервная) функция. Названную функцию выпол­няют так называемые резервные белки, служащие источником пи­тания во время развития плода; белки яйца (овальбумины) и ос­новной белок молока (казеин) также выполняют главным образом питательную функцию. Ряд белков используется в качестве источ­ника аминокислот, которые, в свою очередь, являются предше­ственниками биологически активных веществ.

Транспортная функция. Дыхательную функцию крови, в частно­сти перенос О₂, целиком осуществляют молекулы гемоглобина — белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Белки сыворотки образуют комп­лексы с жирами, микроэлементами (медь, железо), гормонами ( тироксин), витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы.

Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез спе­цифических защитных белков — антител — в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов или вирусов. Взаимодействие ан­тител с антигенами (чужеродными белками) способствует нейтра­лизации их биологического действия, что обеспечивает безопас­ность организма от генетически чужеродной информации. Свер­тывание крови — это тоже защитная реакция: свертывание белка плазмы крови фибриногена приводит к образованию сгустка кро­ви, что предохраняет организм от потери крови при ранениях. Интерферон — универсальный противовирусный белок — также выполняет защитную функцию.

Сократительная функция. В сокращении и расслаблении мышц участвуют белки актин и миозин — специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам ряда субклеточных структур, что обеспечивает определенные процессы жизнедеятельности клеток.

Структурная функция. Структурная функция белков занимает очень большое место. Например, коллаген в соединительной тка­ни, кератин в волосах, ногтях, роговой ткани, эластин в сосудис­той стенке выполняют пластические и опорные функции. Важную роль играют белки в комплексе с углеводами в формировании ряда секретов — мукоидов, муцинов и т. д. В комплексе с липидами (фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клетки.

Гормональная функция. В регуляции обмена веществ в организ­ме важную роль играют гормоны, которые вырабатываются в же­лезах внутренней секреции. Некоторые гормоны являются белка­ми или полипептидами: гормоны гипофиза — соматотропин, окситоцин, вазопрессин; гормон поджелудочной железы — инсулин и т. д.

Кроме указанных функций, следует отметить, что белки в орга­низме играют важную роль в поддержании онкотического давле­ния и в создании буферных систем. Белки осуществляют генери­рование и передачу нервных импульсов. Например, родопсин яв­ляется фоторецепторным белком клеток палочек сетчатки глаза, имеются белки — вкусовые рецепторы, обонятельные рецепторы! Молекулы-рецепторы приводят в действие специфические веще­ства. Например, рецептор ацетилхолина — белок, состоящий из пяти единиц, — образует ионный канал.

Регулируют рост, деление и дифференцировку клеток также специальные белки. Имеются белки-репрессоры, интерлейкины. Обобщая, следует подчеркнуть, что белки в организме выполня­ют разнообразные функции, обеспечивающие жизненные про­цессы. Важно то, что белки обладают высокой специфичностью. Например, фермент строго взаимодействует со своим субстра­том, антитела с антигеном. Высокой специфичностью наделены также белки, обеспечивающие такие процессы, как онтогенети­ческое развитие живых организмов, биологическую индивиду­альность.