Реферат на тему: Белки по химии

Оглавление:

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работы французского химика Антуана деТуркруа и других ученых, открывших свойство белков коагулировать (денатурировать) под воздействием тепла или кислот. В то время изучались такие белки, как альбумин («белок»), фибрин (белок крови) и глютен из зерен пшеницы.

В начале XIX века уже имелись некоторые сведения об элементарном составе белков, было известно, что аминокислоты образуются в процессе гидролиза белков. Некоторые из этих аминокислот (например, глицин и лейцин) уже были охарактеризованы. На основе анализа химического состава белков голландский химик ГерритМалдер выдвинул гипотезу о том, что практически все белки имеют схожую эмпирическую формулу. В 1836 году Малдер предложил первую модель химического строения белков. Основываясь на теории радикалов, он после нескольких исследований пришел к выводу, что минимальная структурная единица белка имеет следующий состав: C40H62N10O12. Эту единицу он назвал «белком» (Pr) (от греческого protos — первый, первичный), а теорию — «теорией белка». Сам термин «белок» был предложен шведским химиком Якобом Берцелиусом. По словам Малдера, каждый белок состоит из нескольких единиц белка, серы и фосфора. Например, он предложил записать формулу для фибрина как 10PrSP. Малдер также изучал продукты разрушения белков — аминокислоты и для одной из них (лейцин) с небольшой долей погрешности определяет молекулярную массу — 131 далтон. С накоплением новых данных о белках теория белков стала подвергаться критике, но, тем не менее, считалась общепринятой до конца 1850-х годов.

К концу XIX века большинство аминокислот, входящих в состав белков, было изучено. В 1894 году немецкий физиолог АльбрехтКоссель выдвинул теорию о том, что аминокислоты являются основными структурными элементами белков. В начале XX века немецкий химик Эмиль Фишер экспериментально доказал, что белки состоят из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Он также провел первый анализ аминокислотной последовательности белков и объяснил феномен протеолиза.

Однако центральная роль белков в организме не признавалась до 1926 года, когда американский химик ДжеймсСамнер (впоследствии — Нобелевский лауреат по химии) показал, что фермент уреаза является белком.

Сложность чистых белков затрудняла их изучение. Поэтому первые исследования проводились с теми полипептидами, которые можно было легко очистить в больших количествах, т.е. белки крови, куриные яйца, различные токсины и пищеварительные/метаболические ферменты, высвобождающиеся после убоя. В конце 1950-х годов компания Armour Hot Dog Co. смогла очистить один килограмм бычьей поджелудочной железыА, которая стала предметом многих исследований.

Идея о том, что вторичная структура белков является результатом водородных связей между аминокислотными остатками, была предложенаУильямомЭстбери в 1933 году, но ЛайнусПаулинг считается первым ученым, который успешно предсказал вторичную структуру белков. Позже ВальтерКаусман нарисовал работу КаяЛиндерстрём-Ланга. Он внес значительный вклад в понимание законов, регулирующих формирование третичной структуры белков, и роли гидрофобных взаимодействий в этом процессе. В конце 1940-х — начале 1950-х гг. ФредерикЗенгер разработал метод секвенирования белков, который он использовал до 1955 г. для определения аминокислотной последовательности двух цепей инсулина, доказав тем самым, что белки являются линейными полимерами аминокислот, а не разветвленными (как это бывает с некоторыми сахарами) цепями, коллоидами или циклоидами. Первые пространственные структуры белков, полученные с помощью рентгеновской дифракции (рентгеноструктурный анализ), стали известны в конце 1950-х — начале 1960-х годов, а структуры, полученные с помощью ядерного магнитного резонанса, были открыты в 1980-х годах. В 2012 году база данных белков Data Bankсодержала около 87 000 белковых структур.

В XXI веке исследования белков вышли на качественно новый уровень, когда изучаются не только отдельные очищенные белки, но и одновременные изменения количества и посттрансляционныемодификации большого количества белков отдельных клеток, тканей или целых организмов. Эта область биохимии называется протеомикой. Используя методы биоинформатики, стало возможным не только обрабатывать данные рентгеновского структурного анализа, но и прогнозировать структуру белков по их аминокислотной последовательности. В настоящее время криоэлектронная микроскопия крупных белковых комплексов и прогнозирование пространственной структуры белковых доменов

Свойства

Размер белка может быть измерен в остатках аминокислот или в цветовых тоннах (молекулярная масса), но из-за относительно большого размера молекулы, масса белка выражается в производных единицах — килодалтонах (кДа). Дрожжевые белки состоят в среднем из 466 аминокислотных остатков и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самый крупный на сегодняшний день известный белок, титин, является компонентом мышечных саркометров; молекулярный вес его различных вариантов (изоформ) варьируется в пределах от 3000 до 3700 кДа. Тицин в человеческой камбаловой мышце (лат. soleus) состоит из 38 138 аминокислот.

Для определения молекулярной массы белков используются такие методы, как гель-фильтрация, электрофорез в полиакриламидном геле, масс-спектрометрический анализ, седиментационный анализ и другие.

Белки обладают свойством амфотеричности, т.е. в зависимости от условий проявляют как кислые, так и основные свойства. Белки содержат несколько типов химических групп, которые могут быть ионизированы в водном растворе: карбоксильные остатки боковых цепей кислых аминокислот (аспартовая и глутаминовая кислота) и азотные группы боковых цепей основных аминокислот (в основном аминогруппа лизина ε и выход амидина CNH(NH2)-аргинина, в меньшей степени — имидазольный остаток гистидина) Каждый белок характеризуется изоэлектрической точкой (pI) — средней кислотностью (pH), при которой суммарный электрический заряд этого белка равен нулю и, соответственно, они не движутся в электрическом поле (например, при электрофорезе). В изоэлектрической точке гидратация и растворимость белка минимальны. Значение pI зависит от соотношения кислотных и основных аминокислотных остатков в белке: Для белков, содержащих много кислых аминокислотных остатков, изоэлектрические точки находятся в кислотном диапазоне (такие белки называются кислыми), а для белков, содержащих более основные остатки, — в щелочном диапазоне (основные белки). Значение pI конкретного белка также может варьироваться в зависимости от ионной силы и типа буферного раствора, в котором он находится, так как нейтральные соли влияют на степень ионизации химических групп белка. ПИ белка можно определить, например, по кривой титрования или по изоэлектрической фокусировке.

В целом, пИ белка зависит от его функции: Изоэлектрическая точка большинства белков в тканях позвоночных находится в пределах от 5,5 до 7,0, но в некоторых случаях значения находятся в крайних пределах: например, для пепсина — протеолитического фермента из сильного желудочного сока pI ~ 1, а для лосося — белка-протамина из лососевого молока с высоким содержанием аргинина — pI ~ 12. Основными белками часто являются белки, связывающиеся с нуклеиновыми кислотами при электростатическом взаимодействии с фосфатными группами. Примером таких белков являются гистоны и протамины.

Растворимость

Белки различаются по степени растворимости в воде. Водорастворимые белки называются альбуминами и включают в себя белки крови и молока. Нерастворимые или склеропротеины включают кератин (белок, из которого состоят волосы, шерсть млекопитающих, птичьи перья и т.д.) и фиброин, который является компонентом шелка и паутины. Растворимость белков определяется не только их структурой, но и внешними факторами, такими как тип растворителя, ионная сила и рН раствора.

Белки также делятся на гидрофильные и гидрофобные (водоотталкивающие) белки. Гидрофильные белки включают большинство белков цитоплазмы, ядра и межклеточные вещества, в том числе нерастворимый кератин и фиброин. К гидрофобным относится большинство белков биологических мембран — интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами в мембране (эти белки, как правило, также имеют гидрофильные участки).

Денатурация белков относится ко всем изменениям их биологической активности и/или физико-химических свойств, связанных с потерей четвертичной, третичной или вторичной структуры (см. раздел «Структура белков»). В целом, белки достаточно стабильны в условиях (температура, pH и т.д.), при которых они нормально функционируют в организме. Внезапное изменение этих условий приводит к денатурации белка. В зависимости от типа денатуранта денатурация производится механически (сильное перемешивание или встряхивание), физически (нагревание, охлаждение, облучение, ультразвуковая обработка) и химически (кислоты и щелочи, поверхностно-активные вещества, мочевина).

Денатурация белков может быть полной или частичной, обратимой или необратимой. Самым известным случаем необратимого денатурирования белков в домашнем хозяйстве является приготовление куриных яиц, где под воздействием высокой температуры растворимый в воде прозрачный белок овальбумин становится плотным, нерастворимым и непрозрачным. Денатурация в некоторых случаях обратима, как и в случае осаждения водорастворимых белков солями аммония, и используется в качестве метода очистки.

Структура

Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из α-L аминокислотных остатков (которые являются монерами), причем белки могут также содержать модифицированные аминокислотные остатки и неаминокислотные компоненты. В научной литературе для обозначения аминокислот используются одно- или трехбуквенные сокращения. Хотя на первый взгляд может показаться, что использование «всего» 20 типов аминокислот в большинстве белков ограничивает разнообразие белковых структур, количество вариантов на самом деле трудно переоценить: для цепочки из 5 аминокислотных остатков их уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислотных остатков (мелкий белок) может быть представлена более чем в 10130 вариантах. Белки длиной от 2 до нескольких десятков аминокислотных остатков часто называют пептидами, с более высокой степенью полимеризации — белками, хотя эта классификация очень условна.

При образовании белка в результате взаимодействия α-карбоксильной группы (-COOH) одной аминокислоты с α-аминокислотой (-NH2) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называются N- и C-концевыми, в зависимости от того, какая конечная группа аминокислот свободна: -NH2 или -COOH. При синтезе белка на рибосоме первым (N-концевым) остатком аминокислоты обычно является остаток метионина, а последующие остатки связываются с С-концевой предыдущей.

К. Линдстрём-Ланг предложил присвоить 4 уровня структурной организации белков: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Хотя эта классификация несколько устарела, она все же используется. Первичная структура (последовательность аминокислотных остатков) полипептида определяется структурой его гена и генетическим кодом, в то время как структуры высших порядков формируются в процессе сворачивания белка. Несмотря на то, что пространственная структура белка в целом определяется его аминокислотной последовательностью, он достаточно нестабилен и может зависеть от внешних условий, поэтому правильнее говорить о предпочтительном или энергетически наиболее выгодном подтверждении белка.

Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи Первичная структура белка обычно описывается одно- или трехбуквенными названиями аминокислотных остатков.

Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — стабильные комбинации аминокислотных остатков, которые выполняют определенную функцию и встречаются во многих белках. Консервативные мотивы остаются нетронутыми в процессе эволюции вида, и часто можно предсказать функцию неизвестного белка. Степень гомологии (сходства) аминокислотных последовательностей белков различных организмов позволяет оценить эволюционное расстояние между таксонами, к которым эти организмы принадлежат.

Первичная структура белка может быть определена методами секвенирования белка или по первичной структуре его мРНК с помощью таблицы генетического кода.

Вторичное строение — локальное расположение фрагмента полипептидной цепи, стабилизированного водородными связями Наиболее распространенные типы вторичной структуры белков перечислены ниже.

α-спираль — это плотная спираль вокруг продольной оси молекулы, одна спираль состоит из 3,6 аминокислотных остатков, шаг спирали 0,54 нм (0,15 нм на аминокислотный остаток), спираль стабилизируется водородными связями между Н и О-пептидными группами на расстоянии 4-х членистостей. Хотя α-спираль может быть как левой, так и правой, в белках преобладает правая спираль. Спираль нарушена электростатическими взаимодействиями глутаминовой кислоты, лизина, аргинина. Закрытые остатки аспарагина, серина, треонина и лейцина могут стерильно нарушить образование спирали, в то время как остатки пролина вызывают изгиб цепи, а также нарушают α-спирали;

Листья β (сложенные слои) представляют собой несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удаленными друг от друга (0.34 нм на аминокислотный остаток) в первичной структуре аминокислот или различных белковых цепочках и не близки друг к другу, как в случае с α-спиралью. Эти цепочки обычно направляются в противоположных направлениях N-концевыми соединениями (антипараллельная ориентация). Небольшой размер боковых групп аминокислот имеет важное значение для формирования листьев β, в которых обычно доминируют глицин и аланин;

Третичная структура является пространственной структурой полипептидной цепи. Она состоит из вторичных структурных элементов, стабилизированных различными типами взаимодействий, причем гидрофобные взаимодействия играют решающую роль.

Они участвуют в стабилизации третичной структуры:

ковалентные связи (дисульфидные мосты между двумя остатками цистеина);
ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислот;
Водородные облигации;
гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды молекула белка складывается таким образом, что из водного раствора выделяются неполярные боковые группы аминокислот; на поверхности молекулы появляются полярные гидрофильные боковые группы.

Исследования принципов размещения белков показали, что полезно присвоить дополнительный уровень между уровнем вторичной структуры и атомной пространственной структурой — мотив размещения (архитектура, структурный мотив). Мотив стекинга определяется взаимным расположением вторичных структурных элементов (α-спиралей и высот β) внутри белкового домена — компактной бусины, которая может существовать как отдельно, так и в составе более крупного белка вместе с другими доменами. Рассмотрим, например, один из характерных мотивов белковой структуры. Сферический белок, триоза фосфатная изомераза, показанная справа, имеет сложенный мотив, называемый β/β-цилиндр: 8 параллельных β-корпусов образуют β-цилиндр внутри другого цилиндра, состоящего из 8 α-спиралей. Этот мотив встречается примерно в 10% белков.

Известно, что мотивы размещения достаточно консервативны и встречаются в белках, которые не имеют ни функциональных, ни эволюционных связей. Определение мотивов штабелирования основано на физической или рациональной классификации белков (например, CATH или SCOP).

Для определения пространственной структуры белка используются методы рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса и некоторых видов микроскопии.

Четвертичная структура (или субъединица, домен) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепочек в пределах одного белкового комплекса. Молекулы белка, содержащиеся в структуре белка с четвертичной структурой, образуются отдельно на рибосомах и образуют общую супрамолекулярную структуру только после окончания синтеза. Структура белка с четвертичной структурой может содержать идентичные или различные полипептидные цепи. В стабилизации четвертичной структуры участвуют те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной структуры. Супермолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

В соответствии с общей природой структуры, белки можно разделить на три группы:

Фибриллярные белки — образуют полимеры, их структура обычно сильно регулируется и поддерживается в основном взаимодействиями между различными цепочками. Они образуют микрофиламенты, микротрубки, фибриллы и поддерживают структуру клеток и тканей. Фибриллярные белки включают кератин и коллаген.
Шаровидные белки растворимы в воде, общая форма молекулы более или менее сферическая.
Мембранные белки — имеют перекрывающиеся домены клеточных мембран, но их части выступают из мембраны в межклеточную среду и цитоплазму клетки. Мембранные белки выступают в качестве рецепторов, т.е. они передают сигналы, а также обеспечивают трансмембранный транспорт различных веществ. Транспортные белки специфичны; каждый из них передает через мембрану только определенные молекулы или сигнал определенного типа.

Простые и сложные белки

Кроме пептидных цепочек, многие белки содержат также неаминокислотные группы, и по этому критерию белки делятся на две основные группы — простые и сложные белки (белки). Простые белки состоят только из полипептидных цепей, в то время как сложные белки также содержат неаминокислотные или ортопедические группы.

В зависимости от химической природы групп протезов различают следующие классы сложных белков:

Гликопротеины с ковалентно связанными углеводными остатками в качестве протезной группы; гликопротеины с остатками мукополисахаридов относятся к подклассу протеогликанов. Гидроксильные группы серина или треонина обычно участвуют в образовании углеводных остатков. Большинство внеклеточных белков, особенно иммуноглобулинов, являются гликопротеинами. В протеогликанах углеводы составляют ~95 % общей массы белковой молекулы, они являются основным компонентом межклеточного матрикса;
Липопротеины с нековалентно связанными липидами в качестве протеза. Липопротеины, образованные аполипопротеиновыми белками, и связывающиеся с ними липиды служат для переноса жиров крови;
Металлопротеины, содержащие ионы неэм металлов Среди металлопротеинов есть белки, выполняющие функции осаждения и переноса (например, Итрансферрин черного феррита) и ферменты (например, цинксодержащая углеводная фраза и различные супероксидные дисмутазы, которые содержат в своих активных центрах ионы меди, марганца, железа и других металлов);
Нуклеопротеины, содержащие нековалентно связанные ДНК или РНК. Нуклеопротеины включают хроматин, из которого состоят хромосомы;
Фосфопротеины, содержащие ковалентно-связанные остатки фосфорной кислоты как ортопедическая группа. Гидроксильные группы серина, треонина и тирозина участвуют в образовании связи эфира с фосфатом. Прежде всего, фосфопротеин — это казеин молока;
Хромопротеины, содержащие цветные ортопедические группы различной химической природы. К ним относятся многие белки с группой металлсодержащих порфириновых протезов, которые выполняют различные функции: Гемопротеины (белки, содержащие драгоценные камни как протезную группу, например, гемоглобин и цитохром), хлорофиллы, флавопротеины с группой флавинов и др.)

В пользу другой гипотезы, о жидкостных свойствах белков в процессах внутриглобулярных движений (модель ограниченного скачка или непрерывной диффузии), свидетельствуют эксперименты по рассеянию нейтронов, мессбауэровская спектроскопия.

Синтез

Биосинтез белков — сложный многоступенчатый процесс синтеза полипептидной цепи аминокислот, который происходит на рибосомах с участием молекул мРНК и итРНК. Процесс биосинтеза белков требует значительных затрат энергии.

Биосинтез белка происходит в два этапа. Первый этап включает транскрипцию и обработку РНК, а второй — перевод. Во время транскрипции фермент РНК-полимераза синтезирует молекулу РНК, комплементарную последовательность соответствующего гена (ДНК-сайт). Терминатор в последовательности нуклеотидов ДНК определяет, где останавливается транскрипция. Во время серии последовательных этапов обработки из мРНК удаляются некоторые фрагменты, а нуклеотидные последовательности редактируются редко. После синтеза РНК матрица ДНК переносит молекулы РНК в цитоплазму. Во время трансляции информация, записанная в последовательности нуклеотидов, транслируется в последовательность аминокислотных остатков.

Между транскрипцией и трансляцией молекулы мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, обеспечивающих созревание функциональной матрицы для синтеза полипептидной цепи. На 5-футовом конце прикрепляется крышка, а на 3-футовом конце полипептидной цепи — хвост, что увеличивает срок службы IRNA. С появлением эукариотической обработки клеток стало возможным объединить экзоны гена для получения большего разнообразия белков, закодированных одной последовательностью нуклеотидов ДНК — альтернативнымсплайсингом.

Передача

В прокариотах мРНК может считываться в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции рибосом, а в эукариотах она переносится из ядра клетки в цитоплазму, где расположены рибосомы. Скорость синтеза белка в прокариотах выше и может достигать 20 аминокислот в секунду.

Процесс синтеза белка на основе молекулы РНК называется трансляционным. На начальном этапе биосинтеза белка инициацию, как правило, кодона метионина, распознает небольшая субъединица рибосомы, к которой прикреплена транспортная РНК метионина (тРНК) по факторам инициации белка. После распознавания стартового кодона к небольшой субъединице прикрепляется большая и начинается второй этап перевода, растягивание. Каждое рибосомное движение от 5′ к 3′ концу мРНК считывается кодоном путем образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мРНК и ее комплементарным антикодоном транспортной РНК, к которому привязана соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализируется рибосомальной РНК (рРНК), которая образует пептидилпереносной центр рибосомы. Рибосомальная РНК катализирует образование пептидной связи между последней растущей пептидной аминокислотой и аминокислотой, связанной с тРНК, тем самым помещая атомы азота и углерода в благоприятное для реакции положение. Ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы связывают аминокислоты с их тРНК. Третья и последняя стадия передачи — прерывание — происходит при достижении кодона остановки рибосомы. После этого белковые факторы прерывания гидролизуют последнюю тРНК белка и останавливают его синтез. Таким образом, в рибосомах белки всегда синтезируются от N- к С-конце.

Белки синтезируются живыми организмами из аминокислот на основе информации, закодированной в генах. Каждый белок состоит из уникальной последовательности аминокислотных остатков, определяемой нуклеотидной последовательностью гена, кодирующего белок. Генетический код является методом передачи последовательности нуклеотидов ДНК (через РНК) в аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Этот код определяет соответствие между тремя нуклеотидными сайтами РНК, так называемыми кодеонами, и определенными аминокислотами, содержащимися в белке: Например, последовательность нуклеотидов AUH соответствует метионину. Так как ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов, общее количество возможных кодонов составляет 64; а так как в белках используется 20 аминокислот, многие аминокислоты определяются более чем одним кодоном. Эти три кода несущественны: они служат стоп-сигналами для синтеза полипептидных цепочек и называются кодами терминатора или стоп-кодами.

Гены, кодирующие белки, сначала транскрибируются ферментами РНК-полимеразы в последовательность нуклеотидов матричной РНК (мРНК). В подавляющем большинстве случаев белки живых организмов синтезируются на рибосомах — многокомпонентных молекулярных машинах, присутствующих в цитоплазме клеток. Процесс синтеза полипептидной цепи рибосомой на матрице мРНК называется трансляционным.

Синтез рибосомальных белков практически одинаков в прокариотах и эукариотах, но отличается некоторыми деталями. Например, прокариот мРНК рибосом в аминокислотной последовательности белков может быть считан сразу после транскрипции или даже до ее завершения. В эукариотах первичный транскрипт должен сначала пройти ряд модификаций и мигрировать в цитоплазму (на месте рибосомы) до того, как может начаться перевод. Скорость синтеза белка в прокариотах выше и может достигать 20 аминокислот в секунду.

Еще до отправки ферменты аминоацил-TRNA синтетазы связывают аминокислоты именно с их соответствующими транспортными РНК (tRNA). Сайт тРНК, называемый антикодон, может комплементарно соединяться с кодом мРНК, гарантируя, что аминокислотный остаток, связанный с тРНК, будет включен в полипептидную цепь в соответствии с генетическим кодом.

На начальном этапе трансляции инициатор кодона (обычно метионин) распознается небольшой субъединицей рибосомы, к которой аминоацилированная тРНК метионина прикреплена по факторам инициирования белка. После распознавания кодона инициатора к малой субъединице рибосомы прикрепляется большая субъединица, и начинается второй этап перевода — растягивание. На каждом этапе рибосомы от 5′ до 3′ конца мРНК считывается кодон, образуя водородные связи между ним и его комплементарной антикодонной транспортной РНК, к которой прикреплен соответствующий аминокислотный остаток. Формирование пептидной связи между последним аминокислотным остатком растущего пептида и аминокислотным остатком, связанным с тРНК, катализируется рибосомальной РНК (РРНК), которая образует пептидилтрансферный центр рибосомы. Этот центр позиционирует атомы азота и углерода в благоприятном для реакции положении. Третий и заключительный шаг передачи — прерывание — происходит, когда рибосома достигает стоп-кодона. После этого факторы белкового взаимодействия гидролизуют связывание между последней тРНК и полипептидной цепью и прерывают его синтез. В рибосомах белки всегда синтезируются от N- к С-конце.

У нижних грибов и некоторых бактерий известен дополнительный (негрибосомальный или мультиферментный) метод пептидного биосинтеза, который обычно имеет небольшую и необычную структуру. Синтез этих пептидов, как правило, вторичных метаболитов, осуществляется высокомолекулярным белковым комплексом — синтезом NRS, без непосредственного участия рибосом. Синтез НСП обычно состоит из нескольких доменов или отдельных белков, которые берут на себя отбор аминокислот, формирование пептидной связи и высвобождение синтезированного пептида. Вместе эти домены образуют модуль. Каждый модуль обеспечивает включение аминокислоты в синтезируемый пептид. Поэтому синтез NRS может состоять из одного или нескольких модулей. Иногда эти комплексы содержат домен, способный изомеризовать L-аминокислоты (нормальной формы) в D-форму.

После завершения переноса большинство белков подвергаются дальнейшим химическим модификациям, известным как посттрансляционные модификации. Известно более двухсот вариантов посттрансляционных модификаций белков.

Посттрансляционные модификации могут регулировать длительность существования белков в клетке, их ферментативную активность и взаимодействие с другими белками. В некоторых случаях посттрансляционные модификации являются обязательной стадией созревания белка, в противном случае он оказывается функционально неактивным. Например, для созревания инсулина и некоторых других гормонов требуется ограниченныйпротеолиз полипептидной цепи, а для созревания белков плазменной мембраны — гликозилирование.

Изменения после передачи могут быть как обычными, так и редкими, даже уникальными. Примером универсальной модификации является повикитинация (присоединение к белку цепи из нескольких молекул короткого белка повикитина), которая служит сигналом для расщепления этого белка протеасомой. Другой распространенной модификацией является гликозилирование — предполагается, что около половины белков человека являются гликозилированными. Редкие модификации включают тирозин/дегирозин и полиглицилирование тубулина.

Один и тот же белок может подвергаться многочисленным модификациям. Гистоны (белки, входящие в состав хроматина в эукариотах) при различных условиях могут претерпевать более 150 различных модификаций.

Изменения после передачи делятся на:

Изменения в главной цепи;
Удаление остатков метионина с N-концевой клеммы;
ограниченный протеолиз — удаление белкового фрагмента, которое может происходить на концах (отслоение сигнальных последовательностей) или в некоторых случаях в середине молекулы (созревание инсулина)
Присоединение различных химических групп к свободным амино и карбоксильным группам (N-ацилирование, миристорилизация и т.д.);
Модификации боковых цепей аминокислот;
Добавление или удаление небольших химических групп (гликозилирование, фосфорилирование и т.д.);
Липидная и углеводородная добавка;
Преобразование стандартных аминокислотных остатков в нестандартные аминокислотные остатки (образование цитруллинов);
образование дисульфидных мостов между остатками цистеина;
Добавление малых белков (суммирование и вездесущность).

Синтезированные в цитоплазме эукариотических клеток белки необходимо транспортировать к различным органоидам клетки: ядра, митохондрии, эндоплазматическийретикулум (ЭПР), аппарат Гольджи, лизосомы и др., а также некоторые белки должны быть перенесены во внеклеточную среду. Чтобы попасть в определенную часть клетки, белок должен иметь специальную этикетку. В большинстве случаев такая этикетка является частью аминокислотной последовательности самого белка (свинцовый пептид или сигнальная последовательность белка), но в некоторых случаях эта этикетка используется для олигосахаридов, которые посттрансляционно связаны с белком.

Транспорт белков в ЭПР происходит во время их синтеза, потому что рибосомы, синтезирующие белки с сигнальной последовательностью для ЭПР, «сидят» на специальных белках на их внешней мембране. От ЭПР к аппарату Гольджи, а оттуда к лизосомам и внешней мембране или внеклеточной среде белки транспортируются везикулярным транспортом. В ядре клетки белки проходят через ядерные поры с сигналом ядерного сосуда. В митохондриях и хлоропластиках белки с соответствующими сигнальными последовательностями проходят через специфические поры белков — трансклокаторы с участием шаперонов.

Поддержание правильной пространственной структуры белков необходимо для их нормального функционирования. Неправильное разрушение белков, приводящее к их агрегации, может быть вызвано мутациями, окислением, стрессовыми условиями или глобальными изменениями в физиологии клетки. Агрегация белков является характерной особенностью старения организма. Считается, что неправильное сворачивание белка вызывает или усугубляет такие заболевания, как муковисцидоз, болезнь лизосомального накопления и нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона).

В процессе эволюции клетки выработали четыре основных механизма противодействия агрегации белков. Первые два — перекоагуляция (рефолдинг) с шаперонами и расщепление протеазами — обнаружены как у бактерий, так и у высших организмов. Для эукариот типичны аутофагия и накопление несвязанных белков в специфических не мембранных органеллах.

Как и другие биологические макромолекулы (полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты), белки являются необходимыми компонентами всех живых организмов и играют важную роль в жизнедеятельности клетки. Белки осуществляют обменные процессы. Они являются частью внутриклеточных структур — органелл и цитоскелета — и секретируются во внеклеточное пространство, где могут действовать как сигнал между клетками, участвовать в гидролизе пищи и формировании межклеточной материи.

Классификация белков по их функциям достаточно условна, так как один и тот же белок может выполнять несколько функций. Хорошо изученным примером такой многофункциональности является синтез тРНК лизина — фермента из класса аминоацильных тРНК, который не только связывает остатки лизина с тРНК, но и регулирует транскрипцию нескольких генов. Многие функции белка выполняются за счет его ферментативной активности. Ферментами являются, например, миозиновый моторный белок, регуляторные белки, транспортный белок трифосфатаза натрия-калия-аденозина и другие.

Наиболее известной функцией белков в организме является катализ различных химических реакций. Ферменты — это белки со специфическими каталитическими свойствами, т.е. каждый фермент катализирует одну или несколько схожих реакций. Ферменты катализируют сложные молекулярно-клиновидные реакции (катаболизм) и их синтез (анаболизм), в том числе репликацию и репарацию ДНК и синтез РНК-матрицы. К 2013 году было описано более 5000 тысяч ферментов. Ускорение реакции ферментативным катализом может быть огромным: например, реакция, катализируемая ферментом декарбоксилаза ородин-5′-фосфат, в 1017 раз быстрее некатализируемой (продолжительность полуреакции декарбоксилатной ротиновой кислоты составляет 78 млн. лет без фермента и 18 миллисекунд с задействованным ферментом). Молекулы, которые связываются с ферментом и изменяются в результате реакции, называются субстратами.

Хотя ферменты обычно состоят из сотен аминокислотных остатков, лишь небольшая их часть взаимодействует с субстратом, и еще меньше — в среднем 3-4 аминокислотных остатка, часто находящиеся далеко друг от друга в первичной структуре, — непосредственно участвуют в катализе. Часть молекулы фермента, отвечающая за связывание субстрата и катализ, называется активным центром.

В 1992 году Международный союз биохимии и молекулярной биологии предложил окончательный вариант иерархической номенклатуры ферментов, основанной на типе катализируемых ими реакций. Согласно этой номенклатуре, названия ферментов всегда должны иметь эндазу и формироваться из названий катализируемых реакций и их субстратов. Каждому ферменту присваивается индивидуальный код, что позволяет легко определить его положение в иерархии ферментов.

Все ферменты разделены на 6 классов в соответствии с характером катализируемых реакций:

CF 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции
CF 2: Трансформаторы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы подложки на другую;
КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей
CFC 4: лиганды, катализирующие разрушение химических связей без гидролиза для образования двойной связи в одном из продуктов
FF 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле подложки;
CF 6: Лигатуры, катализирующие образование химических связей между подложками путем гидролиза АТФ-дифосфатной связи или аналогичного трифосфата.

Структурные белки цитоскелета, как своеобразная арматура, придают форму клеткам и многим органоидам и участвуют в деформации клеток. Большинство структурных белков филаментированы: мономеры актина и тубулина, например, являются сферическими, растворимыми белками, но после полимеризации образуют длинные нити, которые формируют цитоскелет и позволяют клетке сохранять свою форму. Коллаген и эластин являются основными компонентами межклеточного вещества в соединительной ткани (например, хряща), в то время как другие структурные белки состоят из волос, ногтей, птичьих перьев и некоторых мидий.

Существуют различные типы защитных функций белков:

Физическая защита. Физическую защиту организма обеспечивает коллаген — белок, который образует основу межклеточной субстанции соединительной ткани (в том числе костей, хрящей, сухожилий и глубоких слоев кожи (дермы)); кератин, который образует основу роговых щитов, волос, перьев, рогов и других производных эпидермиса. Обычно таким белкам приписывают структурную функцию. Примерами белков этой группы являются фибриногены и тромбины, которые участвуют в свертывании крови.
Химическая защита. Связь токсинов с белковыми молекулами может вызвать детоксикацию. Особенно важную роль в детоксикации человека играют ферменты печени, которые расщепляют токсины или преобразуют их в растворимую форму, что способствует их быстрому выведению из организма.
Иммунная защита. Белки в крышах и другие биологические жидкости участвуют в оборонительной реакции организма как при повреждении, так и при нападении патогенных микроорганизмов. Белки системы комплемента и антитела (иммуноглобулины) относятся к белкам второй группы; они нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки. Антитела, входящие в состав адаптивнойиммунной системы, прикрепляются к инородным веществам, антигенам и тем самым нейтрализуют их, приводя к местам разрушения. Антитела могут выделяться в межклеточное пространство или фиксироваться в мембранах специализированных В-лимфоцитов, называемых плазмоцитами.

Многие процессы внутри клетки регулируются белковыми молекулами, которые не служат ни источником энергии, ни строительным материалом для клетки. Эти белки регулируют клеточное развитие через клеточный цикл, транскрипцию, трансляцию, сплайсинг, активность других белков и многие другие процессы. Регуляторная функция белка выполняется либо ферментативной активностью (например, белковая киназа), либо специфическим связыванием с другими молекулами. Таким образом, факторы транскрипции, активирующие белки и подавляющие их, могут регулировать интенсивность транскрипции генов путем связывания с их регуляторными последовательностями. Многие мРНК также регулируются на уровне трансляции добавлением белковых факторов.

Важнейшую роль в регуляции внутриклеточных процессов играют белковые киназы и белковые фосфатазы — ферменты, которые активируют или подавляют активность других белков, связывая или расщепляя фосфатные группы.

Сигнальная функция белков — это способность белков действовать в качестве сигнальных веществ, передавая сигналы между клетками, тканями, организмами и организмами. Часто сигнальная функция сочетается с регуляторной функцией, так как многие внутриклеточные регуляторные белки также передают сигналы.

Сигнальную функцию выполняют белки, гормоны, цитокины, факторы роста и другие.

Гормоны транспортируются через кровь. Большинство животных гормонов — это белки или пептиды. Связь гормона с его рецептором является сигналом, который вызывает клеточную реакцию. Гормоны регулируют концентрацию веществ в крови и клетках, рост, размножение и другие процессы. Одним из примеров таких белков является инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови.

Клетки взаимодействуют друг с другом посредством сигнальных белков, которые передаются через межклеточное вещество. Эти белки включают в себя цитокины и факторы роста.

Цитокины — пептидные сигнальные молекулы. Они регулируют взаимодействие между клетками, определяют их выживаемость, стимулируют или подавляют рост, дифференцировку, функциональную активность и апоптоз, а также обеспечивают согласованность действий иммунной, эндокринной и нервной систем. Примером цитокинов является фактор некроза опухоли, который передает воспалительные сигналы между клетками.

Растворимые белки, участвующие в транспорте малых молекул, должны обладать высоким сродством (аффинностью) к субстрату, когда они присутствуют в высоких концентрациях, и должны легко высвобождаться в местах с низкой концентрацией субстрата. Примером транспортных белков является гемоглобин, который транспортирует кислород из легких в остальную часть ткани, а углекислый газ из ткани в легкие, и гомологичные белки, которые встречаются во всех областях живых организмов.

Заключение

Некоторые мембранные белки участвуют в транспорте малых молекул через клеточную мембрану и изменяют их проницаемость. Липидный компонент мембраны является водонепроницаемым (гидрофобным), что предотвращает диффузию полярных или заряженных (ионов) молекул. Белки мембранного транспорта обычно делятся на белковые каналы и белки переноса. Белковые каналы содержат внутренние поры, заполненные водой, которые позволяют ионам (через ионные каналы) или молекулам воды (через аквапориновые белки) двигаться через мембрану. Многие ионные каналы передают только один ион; например, калиевые и натриевые каналы часто различают эти похожие ионы и пропускают только один из них. Передающие белки связываются подобно ферментам с каждой передаваемой молекулой или ионом и, в отличие от каналов, могут осуществлять активный транспорт с помощью энергии АТФ. «Клеточная электростанция» — синтез АТФ, синтезирующий АТФ за счет протонного градиента, также может быть прослежен до белков мембранного транспорта.

К таким белкам относятся так называемые резервные белки, которые хранятся в качестве источника энергии и веществ в семенах растений (например, глобулины 7S и 11S) и яйцах животных. В качестве источника аминокислот в организме используется ряд других белков, которые, в свою очередь, являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих метаболические процессы.

Рецепторы белка могут быть расположены как в цитоплазме, так и встроены в клеточную мембрану. Часть молекулы рецептора воспринимает сигнал, который чаще всего используется химическим веществом, а в некоторых случаях — легким механическим воздействием (например, растяжением) и другими раздражителями. Когда сигнал действует на определенную часть молекулы, белковый рецептор, происходят конформационные изменения. В результате конформация другой части молекулы изменяется и передает сигнал другим компонентам клетки. Существуют различные механизмы передачи сигнала. Некоторые рецепторы катализируют конкретную химическую реакцию; другие действуют как ионные каналы, которые открываются или закрываются во время сигнального эффекта; третьи связывают специально внутриклеточные опосредованные молекулы. В мембранных рецепторах та часть молекулы, которая связывается с сигнальной молекулой, расположена на поверхности ячейки, а домен, который передает сигнал, находится внутри.

Целый класс моторных белков отвечает за движения тела, такие как сокращение мышц, включая локомоцию (миозин), движение клеток в организме (например, амёбоподобное движение лейкоцитов), движение ресниц и жгутиков, а также активный и направленный внутриклеточный транспорт (кинетический, динеинин). Молекулы транспорта динеина и кинезинизинов вдоль микропробирок, используя гидролиз АТФ как источник энергии. Молекулы транспорта динеина и органоиды от периферических частей клетки к центросоме, кинезину, в обратном направлении. Они также отвечают за движение ресничек и эукариотических жгутиков. Цитоплазматические варианты миозина могут быть вовлечены в транспорт молекул и органоидов через микрофиламенты.

Список литературы

Альберт Б., Брэй Ди, Льюис Джей и другие. Молекулярная биология клетки. В трех томах. — М. Ворлд, 1996.
Ленингер А. Основы биохимии. В 3-х томах. — М.: Мир, 1983.
Страйер Л. Биохимия. В 3-х томах. — М. Ворлд, 1982 год.