4.2. Сложные белки

Это структуры, содержащие белковую часть – апопротеин и небелковый компонент – простетическую группу. В зависимости от строения последней принято различать следующие их варианты.

Фосфопротеины – это сложные белки, простетической группой которых является остаток фосфорной кислоты. Тип связи между апопротеином и небелковым компонентом – сложноэфирная, которая образуется при взаимодействии ОН-группы серина или треонина с фосфорной кислотой. К протеинам этого класса относятся казеиноген молока, фосфорилированные модификации гистонов, ферменты (РНК-полимеразы, некоторые фосфотрансферазы, фосфатазы) и другие, а также вителлин, фосвитин желтка и овальбумин белка яиц, ихтуллин икры рыб.

Остатки фосфорной кислоты, включённые в белки, находятся в диссоциированом состоянии, что придаёт молекуле сильный отрицательный заряд. Поэтому фосфопротеины могут легко взаимодействовать с лигандами или отталкивать их. Так, например, они связывают ионы Са²⁺ и транспортируют их.

Но главная особенность данной простетической группы – это возможность изменения конформации и заряда белковой молекулы, что сказывается на её свойствах и функциях. Реакция взаимодействия с фосфорной кислотой называется фосфорилирование или дефосфорилирование и используется, например, для регулирования активности ферментов и изменения функциональной активности биомембран (проницаемости и др.).

Фосфопротеины необходимы для развития зародыша, плода, новорожденного, т.к. содержат оптимальный набор аминокислот, а фосфорная кислота используется для формирования скелета (связывание ионов Са²⁺), для образования макроэргов – АТФ, АДФ и др., которые требуются в качестве источников энергии в реакциях синтеза, особенно интенсивно протекающих в растущем организме.

Нуклеопротеины – сложные белки, простетической группой которых являются нуклеотиды, и в первую очередь нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК. В качестве апопротеина выступают белки гистоны, реже протамины. Так как эти протеины положительно заряжены, а нуклеиновые кислоты – отрицательно, то связь, образуемая между ними, ионная. Множество октамеров гистонов, комплексируясь с полинуклеотидом, образует нуклеосомы, которые затем компактно укладываются в органоидах (рис. 13).

В функциональном отношении они отвечают за хранение и передачу наследственной информации и процессы биосинтеза белка.

Хромопротеины («цветные белки») своей окраской обязаны простетической группе – пигменту. В зависимости от строения различают следующие подклассы: гемопротеины, флавопротеины, родопсин.

Г емопротеины (красные) – сложные белки, простетической группой которых служит гем. Он представлен порфирином, состоящим из 4-х пиррольных колец, соединённых метиновыми мостиками (—СН=). В центре располагаются ионы Fe²⁺ (гем b) или Mg²⁺ (гем а). Связь между апопротеином и небелковым компонентом координационная (донорно-акцепторная). Гемопротеины различаются по составу и структуре белка, обеспечивая разнообразие биофункций. Чаще всего встречается гем b (рис. 14). Он входит в состав гемоглобина (Hb) и миоглобина, обеспечивающих связывание газов, транспорт их эритроцитами или накопление кислорода миоцитами. Мицелла Hb состоит из четырёх полипептидных цепей и служит примером обладания биологическим свойством кооперативность (см. выше) – то есть у каждой последующей субъединицы сродство к кислороду выше предыдущей. Гемоглобин присоединяет кислород в условиях его высокого парциального давления и отдает соответственно в среде с низким содержанием этого газа. Сродство гемоглобина к монооксиду углерода больше, чем к кислороду, поэтому угарный газ (СО) может вытеснять кислород из оксигемоглобина. Образующийся карбоксигемоглобин не способен служить переносчиком кислорода, в тканях развивается гипоксия, опасная для клеток. Эта форма Hb имеет вишнево-красную окраску, обуславливающую цвет лица людей, отравившихся диоксидом углерода, что позволяет легко диагностировать токсическое действие газа. Зародышевый гемоглобин F (α₂γ₂) обладает более высоким сродством к кислороду, чем HbА взрослых людей. Благодаря этому возможен оптимальный перенос газа от матери к плоду.

Миоглобин – небольшой глобулярный белок (Mr 16500 Да); молекула его состоит из одной полипептидной цепи (153 а/к) и одного гема. Сродство к кислороду у данного гемопротеида значительно больше, чем у гемоглобина, поэтому он может принимать газ от последнего для сохранения или использования его в мышечных клетках.

Гем b является также структурной единицей ферментов каталазы и пероксидазы, обезвреживающих пероксиды, и цитохромов – митохондриальных белков, участвующих в переносе электронов от окисляемых веществ в конечном итоге на кислород за счёт своей способности изменять валентность железа.

Гем а встречается в растительных гемопротеинах и участвует в процессе фотосинтеза.

Флавопротеины (flavus - жёлтый). Их простетической группой служат активные формы витамина В₂ (рибофлавин) – ФАД (флавинадениндинуклеотид), ФМН (флавинмононуклеотид). Классический пример данного вида белков оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции в клетке. В некоторые флавоноиды включены ионы металлов - металлофлавопротеины или молекула гема – флавогемопротеины. Их типичными представителями, содержащими также негемовое железо, являются альдегидоксидаза, ксантинДГ, дигидрооротатДГ, ацил-КоА-ДГ. На долю последних приходится до 80 % митохондриальных белков, выполняющих важную роль в биоэнергетике клетки.

Родопсин (от греч. rhodos — пурпур и opsis — зрение) – это белок, простетической группой которого является активная форма витамина А – ретиналь. Апопротеин связан с ним иминной связью. Родопсин - основное светочувствительное вещество палочек сетчатки глаза. Его функция состоит в восприятии света в сумерках, т.е. он отвечает за сумеречное зрение.

Металлопротеины – сложные белки, где роль небелкового компонента выполняют катионы металлов. Связь между ними ионная или координационная (донорно-акцепторная). Типичными представителями таких белков являются железосодержащие белки.

Ферритин. В его составе ионы Fe³⁺ депонируются в клетках селезёнки, костного мозга, но богаче всего этим белком печень. Там может накапливаться до 700 мг железа, которое используется по мере надобности для синтеза гема. Гемосидерин – это комплекс гликопротеина и ионов железа, образуется в тканях при кумулировании избытка железа. Трансферрин – растворимый в воде железопротеин, содержащий ещё олигосахариды (металлогликопротеин). Этот белок вырабатывается гепатоцитами и секретируется в кровь, где служит для транспорта катионов этого металла к клеткам других органов. Молекула трансферрина удерживает два иона железа, которые захватывает в кишечнике или местах распада гема, и осуществляет их перенос к точкам депонирования и утилизации. Церулоплазмин аналогично трансферрину обеспечивает транспорт катионов металла, только восьми ионов меди.

Кроме того, многие ферменты в свой активный центр включают различные ионы металлов, выступающие в роли Ко-фактора: Zn²⁺ - в алкогольдегидрогеназу (алкогольДГ), Mn²⁺ - в аргиназу, Mg²⁺ - в гексокиназу, Мо²⁺ - в ксантинДГ и другие.

Гликопротеины, или гликоконъюгаты. В них простетическая группа представлена углеводными компонентами и связана с белком О-гликозидными (реже N-гликозидными) связями. Небелковый фрагмент некоторых гликопротеидов редко бывает представлен одним моносахаридом; как правило, это олиго- или полисахаридные разветвлённые цепочки. Причём на долю углеводов может приходиться от 1 до 85%.

Исходя из вклада в общую копилку, выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопротеины. Между ними имеются существенные отличия:

Таблица 1

Отличительные особенности строения углеводсодержащих белков

Гликопротеины	Протеогликаны
доля углеводов 15-20%, не содержат уроновых кислот, углеводные цепи состоят из 15 звеньев (не более), углевод не имеет регулярного строения.	доля углеводов 80-85%, включают уроновые кислоты, углеводные цепи крайне велики, углевод имеет регулярное строение.

Как видно из таблицы 1, для собственно гликопротеинов характерно низкое содержание углеводов 15-20 %, которые присоединены к амидному азоту аспарагина N-гликозидной связью, либо к гидроксигруппе остатка серина, реже треонина, гидроксилизина. В глициде отсутствует регулярность в чередовании моносахаридов, регистрируются манноза, галактоза, глюкоза, их аминопроизводные, N-ацетилнейраминовая кислота. Разнообразие гликановых фрагментов используется при построении мембранных рецепторов (рис. 15), для обеспечения взаимодействия антиген-антитело, с пецифичных контактов клеток между собой, а также в защите ферментов от протеолиза. Почти все внеклеточные белки, включая глобулины (см. 4.1.1.) крови, относятся к гликопротеинам. К ним же принадлежат некоторые гормоны (тиреотропный, гонадотропные) являются гликоконъюгатами. К типичным представителям данного класса белков относятся все антитела (иммуноглобулины), интерфероны, факторы системы комплемента, групп крови и др. Первые — синтезируются в плазмоцитах, обезвреживают антигены любой химической природы. Различают пять классов иммуноглобулинов: IgG, IgM, IgA, IgD и IgE. Интерфероны (α, β, γ) — гликопротеины, образующиеся в клетке в ответ на внедрение вирусов и ингибирующие их размножение.

Другая группа гликоконъюгатов – протеогликаны – характеризуется наличием крупных полисахаридов (рис. 16), в состав которых входят гликозаминогликаны (ГАГ): гиалуроновая кислота, хондроитин-сульфаты, кератансульфаты, дерматансульфаты и гепарансульфаты. У глеводные фрагменты усиливают гидрофильные свойства белков за счёт большого количества гидроксильных групп и кислотных группировок. Соотношение компонентов: протеина - 10-15%, а углеводов - 90-95%. Цепи последних недостаточно гибкие и стремятся принять конформацию очень рыхлого случайного клубка, занимая огромный объём. Будучи гидрофильными, они притягивают много воды и даже в низких концентрациях образуют гидратированные гели. Подобная способность создаёт во внеклеточном пространстве тургор. Протеогликаны хрящевого матрикса содержат гиалуроновую кислоту, образующую студенистый гель, выполняющий роль амортизатора в хрящах и суставных поверхностях. Входя в межклеточное вещество соединительной ткани она регулирует её проницаемость.

Липопротеины – сложные белки, простетическая группа в которых – липиды: нейтральные жиры (ТАГ), эфиры холестерола, фосфолипиды (ФЛ). Между компонентами возникают гидрофобные взаимодействия, реже ионная или эфирная связи.

Все липопротеины имеют сходное строение (рис 17).

Внутри липопротеиновой частицы находится жировая капля – ядро, содержащее неполярные (гидрофобные) липиды: ТАГ и эфиры холестерола. Снаружи оно окружено однослойной мембраной, образованной ФЛ, белком и НЭХС. Белковый компонент получил название аполипопротеин(ы), некоторые из них прочно связаны со всеми фрагментами и не могут быть отделены от целой мицеллы, а другие способны переходить от одного липопротеина к другому. Их белки выполняют несколько функций: формируют структуру частицы, взаимодействуют с рецепторами на поверхности плазмоллем, определяя, каким тканям она необходима, служат ферментами или их активаторами.

Плотность белка выше плотности липидов, поэтому, чем меньше доля апопротеина в частице, тем она тяжелее. По соотношению входящих в частицу компонентов различают несколько классов липопротеинов: хиломикроны (ХМ), липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеины промежуточной плотности (ЛППП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП), липопротеины высокой плотности (ЛПВП).

Каждый из типов ЛП образуется в разных тканях и транспортирует определённые липиды. Благодаря наличию отрицательного заряда на поверхности ЛП хорошо растворимы в крови. Мицеллы небольших размеров способны легко проникать через стенки сосудов, а некоторым (ХМ) это делать трудно из-за больших размеров, поэтому они сначала попадают в лимфатические сосуды, затем через главный грудной проток вливаются в систему полых вен, правое предсердие, малый круг кровообращения и только потом оказываются в аорте и артериях, доставляющих их к органам.

Характеристика ЛП частиц представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Характеристика липопротеиновых частиц

Класс ЛП	Доля белка (%)	Доля ФЛ (%)	Доля ХС (%)	Доля ТАГ (%)	Плотность (г/мл)	Места синтеза	Функции
ХМ	2	3	5	85	< 1	Клетки эпителия тонкого кишечника (энтероциты)	Транспорт в основном экзогенных жиров из кишечника к тканям
ЛПОНП	10	18	17	55	≈1	Клетки печени	Транспорт эндогенных жиров из печени к тканям
ЛППП	11	23	38	26	1,02	Плазма крови (из ЛПОНП)	Промежуточная форма превращения ЛПОНП в ЛПНП под действием ЛП-липаз
ЛПНП	25	21	50	7	1,06	Плазма крови (из ЛПОНП и ЛППП)	Транспорт эндогенного ХС из печени к тканям
ЛПВП	50	27	20	3	1,21	Гепатоциты	Транспорт не использованного ХС из тканей к печени

Итак, главными транспортными формами ТАГ в организме являются ХМ и ЛПОНП, а перенос ХС осуществляют ЛПНП и ЛПВП. Нарушение баланса между фракциями может приводить к различной патологии. Наибольшую опасность представляет изменение соотношения ЛПНП и ЛПВП, приводящее к атеросклерозу.