3.2. Функции белков

Белки выполняют следующие функции:

1. транспортная: транспортировка и запасание кислорода, жиров, железа, меди и др. элементов;

2. гормональная: белки-гормоны регулируют обмен веществ. (Например, белки гипофиза, поджелудочной железы);

3. каталитическая: белки являются ферментами;

4. защитная (иммунная): белки являются антителами иммунных процессов – в гуморальном иммунитете участвуют γ-глобулины, в клеточном иммунитете участвуют лимфоциты, выполняющие свои функции благодаря белкам, расположенным на лимфоцитарных мембранах.

5. белки в составе крови способствуют ее свертываемости.

6. структурная (опорная): белки являются компонентами соединительной ткани (коллаген), кожи, волос (кератин), сосудов (эластин), хрящей. Вместе с углеводами белки входят в состав секретов (гликопротеиды). Они являются компонентами слизистых оболочек, связок, сухожилий.

7. сократительная (механохимическая): белки преобразуют энергию АТФ в механическую энергию.

8. сигнальная: обеспечение рецепции и передачи химических сигналов, участвуют в распространении нервных импульсов.

9. регуляторная (белки осуществляют обратную связь в метаболических цепях).

10. белки входят в состав рецепторных систем организма, перекодируя внешние сигналы в электрохимический импульс.

11. энергетическая (питательная): белки являются источниками питания для развития плода (казеин).

12. Многие белки являются токсинами, защищающими организм от вредных воздействий.

13. Белки поддерживают рН (буферы) и сохраняют онкотическое давление в клетках крови.

Существует множество иных специальных функций белков.

Гормональная функция.

Каждый белок выполняет одну узкоспециальную функцию и только в некоторых случаях выполняет несколько взаимосвязанных функций. Гормон мозгового слоя надпочечников – адреналин поступает в кровь, повышая потребление кислорода, повышает артериальное давление; с другой стороны, он повышает уровень содержания сахара в крови и стимулирует обмен веществ. У холоднокровных животных адреналин – это медиатор нервной системы.

Каталитическая функция.

Биохимические реакции в организме зачастую идут в мягких условиях (при температуре примерно 40ºС и рН, стремящемся к 7.0). Но в этих условиях скорости протекания большинства биохимических реакций малы, следовательно, чтобы в организме они имели место, эволюционно возникли биологические катализаторы – ферменты.

Ферменты – это либо белки, либо комплексы белков с каким-либо ко-фактором (ион металла или какая-нибудь органическая молекула).

Ферменты обладают высокой избирательностью действия, в основе которой лежит определенная конформация белковой молекулы. Любое отклонение будет приводить к уменьшению избирательности и, следовательно, к ухудшению катализа.

Транспортная функция.

Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества (и строительный материал, и энергия), а биомембраны построены по одному принципу: двойной слой липидов, в который погружены различные белки, при этом гидрофильные участки макромолекул располагаются на поверхности мембраны, а гидрофобный хвост белка находится в толще мембраны. Такая структура мембран непроницаема ни для крупных молекул (аминокислоты, сахара), ни для относительно малых (ионы металлов). Их проникновение идет с помощью транспортных белков.

У многоклеточных организмов существует и другая система транспорта веществ. Это гемоглобин крови или сывороточный альбумин (обладающий способностью образовывать прочный комплекс с жирными кислотами, с гидрофобными аминокислотами (триптофан), со стероидными гормонами, с лекарственными препаратами (аспирин, пенициллин) и переносить их в различные органы), трансферрин обеспечивает перенос ионов железа, церуплазмин – ионы меди.

Рецепторная функция.

Для функционирования организма большое значение имеют белки-рецепторы, вмонтированные в плазматическую мембрану клеток, которые служат для восприятия и преобразования сигналов, поступающих в клетку (как от окружающей среды, так и от соседних клеток). Например, рецепторы ацетилхолина находятся в межнейронных контактах на мембране клеток, в том числе в коре головного мозга. Эти белки специфически взаимодействуют с ацетилхолином. Это взаимодействие приводит к такому изменению конформации белка, в результате которого становится возможной передача сигнала внутрь клетки. После получения и преобразования сигнала, нейромедиатор (ацетилхолин) удаляется, и клетка готовится к восприятию следующего сигнала. Чтобы он ушел, существует специальный фермент – ацетилхолин эстераза, катализирующий гидролиз ацетилхолина до ацетата и холина.

Многие гормоны не проникают внутрь клетки-мишени, а связываются со специфическими рецепторами на поверхности этих клеток. Это связывание уже является сигналом для запуска в клетке физиологического процесса.

Защитная функция.

Иммунная система обладает способностью отвечать на появление в организме чужеродных частиц выработкой лимфоцитов, и с другой стороны, отвечать производством белков (иммуноглобулинов). В первом случае говорим о клеточном иммунитете, во втором – о гуморальном. В ходе клеточного иммунитета лимфоциты разрушают чужеродные клетки, патогенные бактерии, раковые клетки, вирусы; во втором случае В-лимфоциты вырабатывают иммуноглобулины или антитела, которые, связываясь с чужеродными молекулами (антигенами), связывают и снимают эффект их действия.

Если в роли антигена выступает большая молекула, то антитело опознает не всю молекулу, а ее определенный участок и этот участок называется антигенной детерминантой.

Т.к. иммуноглобулины взаимодействуют с небольшой частью антигена, это позволяет лимфоцитам производить антитела, которые узнают специфические небольшие молекулы даже синтетической природы.

Согласно современным представлениям каждый тип иммуноглобулина, вырабатываемый В-лимфоцитами, произошедшими от одного общего предшественника, называется клоном.

Структурная функция.

Наряду с белками, выполняющими специализированные функции, существуют белки, которые выполняют структурные функции (прочность, эластичность и др. свойства отдельных тканей организма: коллаген – основной белковый компонент соединительной ткани (у млекопитающих он составляет до 25% массы белков)). Он синтезируется в фибробластах. Первоначально, он возникает в виде проколлагена, который проходит определенную обработку (окисление остатков пролина и лизина до гидроксипролина и гидроксилизина) в фибробластах. Коллаген – это три скрученные в спираль полипептидные цепи. Выходя из фибробластов, эти спирали объединяются в коллагеновые фибриллы (волокна) и образуют коллагеновые нити, которые можно наблюдать под микроскопом.

Двигательные белки.

Мышечные сокращения – это процесс, при котором происходит преобразование химической энергии, запасенной в пирофосфатных связях молекул АТФ, в механическую работу. Участвуют два белка актин и миозин.

Миозин состоит из длинной нитевидной части (хвоста) и двух глобулярных головок. Общая длина одной молекулы порядка 1600 нм, на головки приходится ~200 нм. Выделяют миозин в виде гексомера, образованного двумя цепями с молекулярной массой 200 тыс. и четырьмя легкими цепями с молекулярной массой около 20 тыс. Тяжелые цепи закручены спирально одна вокруг другой и образуют хвост. На одном конце нити находятся глобулярные головки, ассоциированные с легкими цепями. На головках миозина находятся два функциональных центра: 1-ый – каталитический (осуществляет расщепление пирофасфатной связи АТФ), 2-ой центр обеспечивает миозину способность специфически связываться с другим мышечным белком – актином.

Актин – это глобулярный белок, с молекулярной массой 42 тыс (G-актин в глобулярном виде). G-актин обладает способностью полимеризоваться с образованием длинной структуры F-актина. В такой форме он может взаимодействовать с головкой миозина, и это взаимодействие сильно зависит от наличия АТФ. При высокой концентрации АТФ комплекс актина и миозина разрушается. После того, как под действием миозиновой атефазы происходит гидролиз АТФ, комплекс снова восстанавливается. Этот процесс часто наблюдают в растворе, содержащем оба белка. Без АТФ − это вязкое, высокомолекулярное соединение, добавление АТФ сразу уменьшает вязкость, а по мере разрушения АТФ опять происходит комплексообразование (конденсация). Эти превращения важны при мышечных сокращениях.