43. Свойства

[править]Размер

Сравнительный размер молекул белков. Слева направо: антитело (IgG), гемоглобин, инсулин (гормон), аденилаткиназа (фермент) и глютаминсинтетаза (фермент)

Размер белка может измеряться в числе аминокислотных остатков или в дальтонах (молекулярная масса), но из-за относительно большой величины молекулы масса белка выражается в производных единицах — килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, в среднем, состоят из 466 аминокислотных остатков и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самый большой из известных в настоящее время белков — титин — является компонентом саркомеров мускулов; молекулярная масса его различных вариантов (изоформ) варьирует в интервале от 3000 до 3700 кДа. Титин камбаловидной мышцы (лат. soleus) человека состоит из 38 138 аминокислот[13].

Для определения молекулярной массы белков применяют такие методы, как гель-фильтрация, электрофорез в полиакриламидном геле, масс-спектрометрический анализ, седиментационный анализ и другие[14].

[править]Физико-химические свойства

[править]Амфотерность

Белки обладают свойством амфотерности, то есть в зависимости от условий проявляют как кислотные, так и осно?вные свойства. В белках присутствуют несколько типов химических группировок, способных к ионизации в водном растворе: карбоксильные остатки боковых цепей кислых аминокислот (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и азотсодержащие группы боковых цепей основных аминокислот (в первую очередь, ?-аминогруппа лизина и амидиновый остаток CNH(NH2) аргинина, в несколько меньшей степени — имидазольный остаток гистидина). Каждый белок характеризуется изоэлектрической точкой (pI) — кислотностью среды (pH), при которой суммарный электрический заряд молекул данного белка равен нулю и, соответственно, они не перемещаются в электрическом поле (например, при электрофорезе). В изоэлектрической точке гидратация и растворимость белка минимальны. Величина pI зависит от соотношения кислых и основных аминокислотных остатков в белке: у белков, содержащих много кислых аминокислотных остатков, изоэлектрические точки лежат в кислой области (такие белки называют кислыми), а у белков, содержащих больше основных остатков, — в щелочной (основные белки). Значение pI данного белка также может меняться в зависимости от ионной силы и типа буферного раствора, в котором он находится, так как нейтральные соли влияют на степень ионизации химических группировок белка. pI белка можно определить, например, из кривой титрования или с помощью изоэлектрофокусирования[14].

В целом, pI белка зависит от выполняемой им функции: изоэлектрическая точка большинства белков тканей позвоночных лежит в пределах от 5,5 до 7,0, однако в некоторых случаях значения лежат в экстремальных областях: так, например, для пепсина — протеолитического фермента сильнокислого желудочного сока pI ~ 1[15], а для сальмина — белка-протамина молок лосося, особенностью которого является высокое содержание аргинина, — pI ~ 12. Белки, связывающиеся с нуклеиновыми кислотами за счёт электростатического взаимодействия с фосфатными группами, часто являются основными белками. Примером таких белков служат гистоны и протамины.

[править]Растворимость

Белки различаются по степени растворимости в воде. Водорастворимые белки называются альбуминами, к ним относятся белки крови и молока. К нерастворимым, или склеропротеинам, относятся, например, кератин (белок, из которого состоят волосы, шерсть млекопитающих, перья птиц и т. п.) и фиброин, который входит в состав шёлка и паутины[16]. Растворимость белка определяется не только его структурой, но внешними факторами, такими как природа растворителя, ионная сила и pH раствора[14].

Белки также делятся на гидрофильные и гидрофобные (водооталкивающие). К гидрофильным относится большинство белков цитоплазмы, ядра и межклеточного вещества, в том числе нерастворимые кератин и фиброин. К гидрофобным относится большинство белков, входящих в состав биологических мембран, — интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны[17] (у этих белков, как правило, есть и гидрофильные участки).

[править]Денатурация

Необратимая денатурация белка куриного яйца под воздействием высокой температуры

Основная статья: Денатурация белков

Денатурацией белка называют любые изменения в его биологической активности и/или физико-химических свойствах, связанные с потерей четвертичной, третичной или вторичной структуры (см. раздел «Структура белка»). Как правило, белки достаточно стабильны в тех условиях (температура, pH и др.), в которых они в норме функционируют в организме[7]. Резкое изменение этих условий приводит к денатурации белка. В зависимости от природы денатурирующего агента выделяют механическую (сильное перемешивание или встряхивание), физическую (нагревание, охлаждение, облучение, обработка ультразвуком) и химическую (кислоты и щёлочи, поверхностно-активные вещества, мочевина) денатурацию[14].

Денатурация белка может быть полной или частичной, обратимой или необратимой. Самый известный случай необратимой денатурации белка в быту — это приготовление куриного яйца, когда под воздействием высокой температуры растворимый в воде прозрачный белок овальбумин становится плотным, нерастворимым и непрозрачным. Денатурация в некоторых случаях обратима, как в случае осаждения водорастворимых белков с помощью солей аммония, и используется как способ их очистки[18].

[править]Структура

Схематическое изображение образования пептидной связи (справа). Подобная реакция происходит в молекулярной машине, синтезирующей белок, — рибосоме

Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из остатков ?-L-аминокислот (которые являются мономерами), также в состав белков могут входить модифицированные аминокислотные остатки и компоненты неаминокислотной природы. Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одно- или трёхбуквенные сокращения. Хотя на первый взгляд может показаться, что использование в большинстве белков «всего» 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, на самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки из 5 аминокислотных остатков оно составляет уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислотных остатков (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10130 вариантах. Белки длиной от 2 до нескольких десятков аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации — белками, хотя это деление весьма условно.

При образовании белка в результате взаимодействия ?-карбоксильной группы (-COOH) одной аминокислоты с ?-аминогруппой (-NH2) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют N- и C-концом, в зависимости от того, какая из групп концевого аминокислотного остатка свободна: -NH2 или -COOH, соответственно. При синтезе белка на рибосоме первым (N-концевым) аминокислотным остатком обычно является остаток метионина, а последующие остатки присоединяются к C-концу предыдущего.

44. Миофибриллы расположены вдоль мышечного волокна. Длина их совпадает с длиной мышечного волокна, толщина составляет 1-2 мкм. Миофибриллы имеют характерную посмугованисть (чередование светлых и темных полос), что обусловлено особенностью их структуры и оптическими свойствами. Вследствие того, что светлые и темные полосы всех миофибрилл отдельного мышечного волокна расположены на одном уровне, все волокно выглядит поперечно-полосатых. В миофибрилл последовательно расположены темные анизотропные полосы (или диски А) и светлые изотропные (или диски I). Анизотропные диски окрашиваются интенсивнее, чем изотропны. В поляризованном свете темные полосы имеют двойное променезаломлювання - анизотропию, в то время как светлые полосы являются однопроменезаломлювальними (изотропными). Внутри каждой I-полосы является тонкая темная линия, которая называется телофрагма, или линии Z. В центре темной А-полосы можно наблюдать светлую участок - Н-зону, или полоску Гензена, в середине которой находится тонкая темная линия М, или мезофрагма. Структурной единицей миофибриллы является саркомер, который представляет собой участок между двумя телофрагма. Телофрагма богатые гликозаминогликаны, вследствие чего миофибриллы при мацерации обладают способностью распадаться на отдельные саркомера (от греческого "саркос" - мясо и "мерос" - часть). Длина саркомера составляет 2-3 мкм. Саркомера - это элементарные сократительные единицы миофибрилл исполосованных мышц, которые сокращаются благодаря тому, что могут уменьшать свою длину в 2 раза. Механизм этого процесса можно представить себе, если рассмотреть ультраструктуру миофибрилл. Под электронным микроскопом в области саркомера были идентифицированы продольные нити, или микрофламенты, двух типов - тонкие и толстые. Толстые микрофиламенты локализуются в средней части саркомера (в его А-полосе), построены они из белка миозина. Тонкие микрофиламенты расположены в И-полосе и частично заходят между толстыми микрофиламентов в А-смугудо зоны Н. Одним концом они прикрепляются к телофрагма, а другой конец у них свободный, в то время как в толстых филаментов оба конца свободны. Тонкие микрофиламенты построены из белка актина, а также тропомиозином и тропонина. Диаметр тонких микрофиламентов 5 нм, длина -1 мкм. Толстые миозиновые микрофиламенты имеют диаметр 10-15 нм и длину 1,5 мкм. Количественное отношение миозинових нитей к актиновых 1:2 (т.е. на один миозиновои микрофиламенты приходится два актиновых), а взаимное пространственное размещение гексагональную: на поперечном разрезе тонкие филаменты образуют шестиугольник, в центре которого расположен толстый филамент. Если саркомер находится в расслабленном состоянии, темной его частями являются так называемые зоны перекрытия, то есть те части диска А, в которых содержатся толстые и тонкие микрофиламенты. Зона Н выглядит на этом фоне светлой, поскольку она состоит только из толстых миозинових микрофиламентов. При сокращении саркомера актиновые микрофиламенты втягиваются в промежутки между миозиновои, а при условии полного сокращения их свободные концы почти достигают середины саркомера. Поскольку длина тонких микрофиламентов остается неизменной, они, втягиваясь между толстыми филаменты, влекут телофрагма (Z-пластинки), к которым прикреплены, тем самым сближая концы всех саркомеров. В полностью сокращенном саркомера Н-зона, а также I-диски почти исчезают, и весь саркомер превращается в зону перекрытия. Электронная микроскопия позволила установить, что темная М-линия в середине Н-зоны обусловлена ??тонких филаментов, которые соединяют срединные участки соседних толстых филаментов. Микроскопические исследования также показали, что Z-линия зигзагообразная, а точки прикрепления тонких филаментов на одной стороне Z-пластинки расположены против промежутков между точками прикрепления актиновых микрофиламентов с другой ее стороны (т.е. соседнего саркомера). Z-пластинка построена из так называемых Z-филаментов, которые сочетаются с образованием решетки. Z-линии содержат белок альфа-актинин. Кроме того, на электронных микрофотографиях в зоне перекрытия наблюдаются так называемые поперечные мостики, которые соединяют между собой актина и миозина филаменты. Положение их меняется при сокращении мышечного волокна.

45. Механизм мышечного сокращения. В процессе сокращения мы­шечного волокна в нем происходят следующие преобразования:

 

А. Электрохимическое преобразование:

 

1.     Генерация ПД.

 

2.     Распространение ПД по Т-системе.

 

3.     Электрическая стимуляция зоны контакта Т-системы и саркоплазматического ретикулума, активация ферментов, образование инозитолтрифосфата,  повышение внутриклеточной  концентрации ионов Са2+.

 

Б. Хемомеханическое преобразование:

 

4.     Взаимодействие ионов Са2+ с тропонином, освобождение ак­тивных центров на актиновых филаментах.

 

5.     Взаимодействие миозиновой головки с актином, вращение го­ловки и развитие эластической тяги.

 

6.     Скольжение нитей актина и миозина относительно друг друга, уменьшение размера саркомера, развитие напряжения или укоро­чение мышечного волокна.

 

Передача возбуждения с двигательного мотонейрона на мышечное волокно происходит с помощью медиатора ацетилхолина (АХ). Взаимодействие АХ с холинорецептором концевой пластинки приводит к активации АХ-чувствительных каналов и появлению потенциала концевой пластинки, который может достигать 60 мВ. При этом область концевой пластинки становится источником раздражающего тока для мембраны мышечного волокна и на участках клеточной мембраны, прилегающих к концевой пластинке, возникает ПД, который распространяется в обе стороны со скоростью примерно 3—5 м/с при температуре 36 oС. Таким образом, генерация ПД является первым   этапом  мышечного сокращения.

 

Вторым этапом является распространение ПД внутрь мы­шечного волокна по поперечной системе трубочек, которая служит связующим звеном между поверхностной мембраной и сократитель­ным аппаратом мышечного волокна. Т-система тесно контактирует с терминальными цистернами саркоплазматической сети двух со­седних саркомеров. Электрическая стимуляция места контакта при­водит к активации ферментов, расположенных в месте контакта и образованию инозитолтрифосфата. Инозитолтрифосфат активирует кальциевые каналы мембран терминальных цистерн, что приводит к выходу ионов Са2+ из цистерн и повышению внутриклеточной концентрации Са2+ с 107до 105 M. Совокупность процессов, при­водящих к повышению внутриклеточной концентрации Са2+ состав­ляет сущность третьего этапа мышечного сокращения. Таким образом, на первых этапах происходит преобразование электриче­ского сигнала ПД в химический — повышение внутриклеточной концентрации Са2+, т. е. электрохимическое преобразование.

46.

Анаэробный гликолиз. В мышечной ткани наиболее важным долгосрочным энергетическим резервом является гликоген (см. рис. 159). В покоящейся ткани содержание гликогена составляет до 2% от мышечной массы. При деградации под действием фосфорилазы гликоген легко расщепляется с образованием глюкозо-6-фосфата, который при последующем гликолизе превращается в пируват. При большой потребности в АТФ и недостаточном поступлении кислорода пируват за счет анаэробного гликолиза восстанавливается в молочную кислоту (лактат), которая диффундирует в кровь (цикл Кори, см. рис. 331).

47.

Аэробные способности позволяют длительное время выполнять работу вплоть до того уровня интенсивности, пока имеется возможность полного удовлетворения кислородного запроса организма в процессе самой работы. Это устойчивое, "стационарное" состояние может поддерживаться достаточно долго.  Однако достижение уровня максимальной мощности при аэробном энергообеспечении происходит лишь через 1-2 минуты от начала работы, а скорость ресинтеза АТФ даже при достижении максимальной аэробной мощности недостаточна для обеспечения интенсивной мышечной работы. Мощность работы, при которой достигается максимальное потребление кислорода, называется критической.