Документ Microsoft Office Word
.docxПри внимательном рассмотрении биологической роли отдельных хромопротеинов вырисовывается любопытная картина. Оказывается, хромопротеины являются непременными и активными участниками аккумулирования солнечной энергии в зеленых растениях. Хлорофилл (магний-порфирин) вместе с белком обеспечивает фотосинтетическую активность растений, катализируя расщепление молекулы воды на водород и кислород (с поглощением солнечной энергии); гемопротеины (железо-порфирины) катализируют обратную реакцию - образование молекулы воды, связанное с освобождением энергии.
Гемопротеины
К группе гемопротеинов относятся гемоглобин и его производные, миоглобин, хлорофиллсодержащие белки и ферменты (вся цитохромная система, каталаза и пероксидаза). Все они содержат в качестве небелкового компонента структурно сходные железо(или магний)-порфирины, но различные по составу и структуре белки, обеспечивая тем самым разнообразие их биологических функций. Рассмотрим более подробно химическое строение гемоглобина, наиболее важного для жизнедеятельности человека и животных соединения [показать].
Гемоглобин в качестве белкового компонента содержит глобин, а небелкового - гем. Видовые различия гемоглобина обусловлены глобином, в то же время гем одинаков у всех видов гемоглобина. Структурную организацию гемоглобина (и миоглобина) расшифровали Дж. Кендрью и М. Перутц (Нобелевская премия 1962 г.).
Гемоглобину принадлежит уникальная роль в транспорте кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Это важное проявление жизни - дыхание - основано на взаимодействии многих типов атомов в гигантской молекуле гемоглобина. Подсчитано, что в одном эритроците содержится около 340 000 000 молекул гемоглобина, каждая из которых состоит примерно из 103 атомов. Атом железа расположен в центре гема-пигмента, придающего крови характерный красный цвет. Каждая из четырех молекул тема "обернута" одной полипептидной цепью. В молекуле гемоглобина взрослого человека, обозначаемого НbА (от англ. adult - взрослый), содержатся четыре полипептидные цепи, которые вместе составляют белковую часть молекулы - глобин. Две из них, называемые α-цепями, имеют одинаковую первичную структуру и включают по 141 аминокислотному остатку. Две другие, обозначаемые β-цепями, также идентично построены и содержат по 146 аминокислотных остатков. Таким образом, вся молекула белковой части гемоглобина состоит из 574 аминокислот. Во многих положениях α- и β-цепи содержат одинаковые аминокислотные последовательности.
В дополнение к основному гемоглобину, НbА1, в крови взрослого человека доказано существование мигрирующего с меньшей скоростью при электрофорезе гемоглобина НbА2, также состоящего из четырех субъединиц: двух α- и двух δ-цепей. На долю НbА2 приходится около 2,5 % от всего гемоглобина. Известен, кроме того, фетальный гемоглобин (гемоглобин новорожденных), обозначаемый НbF и состоящий из двух α- и двух γ-цепей. Фетальный гемоглобин отличается от НbA1 не только по составу аминокислот, но и по ряду физико-химических свойств: спектральным показателям, электрофоретической подвижности, устойчивости к щелочной денатурации и др. Кровь новорожденного ребенка содержит до 80% НbF, но к концу 1-го года жизни он почти целиком заменяется на НbА (и все же в крови взрослого человека открывается до 1,5% НbF от общего количества гемоглобина). Нельзя не отметить и тот факт, что последовательность аминокислот в γ- и δ-цепях гемоглобинов окончательно не расшифрована.
Установление первичной структуры субъединиц молекулы гемоглобина стимулировало исследования, связанные с расшифровкой структуры так называемых аномальных гемоглобинов. В крови человека в общей сложности открыто около 150 различных типов мутантных гемоглобинов. Появляются эти гемоглобины в крови вследствие мутаций генов. Аномальные гемоглобины, отличающиеся по форме, химическому составу и величине заряда, были выделены при помощи методов электрофореза и хроматографии. Передающиеся по наследству изменения чаще всего являются результатом мутации единственного триплета, приводящей к замене одной какой-либо аминокислоты в полипептидных цепях молекулы гемоглобина на другую. В большинстве случаев происходит замена кислой аминокислоты на основную или нейтральную (табл. 2. [показать]) и, поскольку это замещение осуществляется в обеих полипептидных цепях одной из пар (α или β), образовавшийся аномальный гемоглобин будет отличаться от нормального величиной заряда и соответственно электрофоретической подвижностью.
В табл. 2 представлены некоторые типы аномальных гемоглобинов, составы их полипептидных цепей с указанием известной или вероятной локализации замены либо в α-, либо в β-цепях. Замены необычной аминокислотой в аномальных гемоглобинах имеют место как в α-, так и в β-цепях. Исключение составляет гемоглобин Н, все 4 полипептида которого представлены β-цепями, идентичными по структуре β-цепям нормального гемоглобина А1.
Следует указать, что некоторые мутации, вызывающие существенное изменение структуры и соответственно функции гемоглобина, оказываются летальными и индивидуумы с подобным нарушением гемоглобина умирают в раннем возрасте. Однако при ряде мутаций замена аминокислот не вызывает заметного изменения функции гемоглобина. В этих случаях болезнь протекает бессимптомно.
Болезни гемоглобинов (их насчитывают более 200) называют гемоглобинозами. Принято делить их на
гемоглобинопатии, в основе развития которых лежит наследственное изменение структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина (часто их относят также к "молекулярным болезням") [показать]
талассемии, обусловленные нарушением синтеза какой-либо нормальной цепи гемоглобина [показать]
Различают также железодефицитные анемии.
В медицинской практике часто прибегают к анализу кровяных пигментов, который основан на исследовании спектроскопических свойств тема гемоглобина, точнее, продуктов его окисления (хлорида гемина или гематина, образующихся соответственно при обработке гемоглобина уксусной кислотой в присутствии хлорида натрия или разведенными растворами щелочей). При восстановлении гематина сульфитом аммония в присутствии глобина образуется производное гемоглобина - гемохромоген, в котором денатурированный глобин соединен с гемом. Полученный комплекс имеет характерный спектр поглощения; этот метод широко применяется в судебно-медицинской практике при исследовании кровяных пятен.
Из многообразия производных гемоглобина, представляющих несомненный интерес для врача, следует прежде всего указать на оксигемоглобин - НbО2 - соединение молекулярного кислорода с гемоглобином. Кислород присоединяется к гему гемоглобина при помощи координационных связей железа, причем валентность железа не меняется и железо остается двухвалентным. Такой гемоглобин называют оксигенированным. Неправомочно называть процесс присоединения кислорода к гемоглобину окислением, а НbО2 - окисленным гемоглобином, так же как и диссоциацию оксигемоглобина (НbО3), т. е. распад его на Нb и кислород, - восстановлением, а Нb - восстановленным, поскольку в обоих случаях изменения валентности железа в теме не происходит.
Помимо кислорода, гемоглобин легко соединяется и с другими газами, в частности с СО, N0 и др. Так, при отравлении оксидом углерода гемоглобин прочно с ним связывается с образованием карбоксигемоглобина (НbСО). При этом из-за высокого сродства к СО гемоглобин теряет способность связывать кислород и наступает смерть от удушья, недостаточного снабжения тканей кислородом. Однако повышение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к частичному вытеснению СО из связи с гемоглобином.
При отравлении оксидами азота, парами нитробензола и другими соединениями часть гемоглобина окисляется в метгемоглобин (НbОН), содержащий трехвалентное железо. Поскольку метгемоглобин также теряет способность к переносу кислорода от легких к тканям, то и в случаях метгемоглобинемии (вследствие отравления окислителями) в зависимости от степени отравления может наступить смерть от недостатка кислорода. Если вовремя оказать помощь, т. е. повысить парциальное давление кислорода (вдыхание чистого кислорода), то и в этом случае можно вывести больного из опасного состояния.
В заключение следует указать, что самым надежным методом качественного определения различных производных гемоглобина является исследование их спектров поглощения.
У беспозвоночных роль переносчика кислорода часто выполняют пигменты негеминовой природы - гемэритрин и гемоцианин. Они не относятся к гемосодержащим хромопротеинам, хотя в этих терминах содержится корень "гем". Эти белки, как и гемоглобин, несмотря на то, что выполняют одну и ту же функцию, сильно различаются между собой по молекулярной массе и четвертичной структуре, химической природе активного центра, характеру связывания железа (в случае гемэритрина) и меди (в случае гемоцианина) с кислородом и др. Эти отличия суммированы в табл. 3 [показать] (по Г. Эйхгорну).
Трансферрины (сидерофилины) - группа сложных белков, полученных из разных источников и характеризующихся способностью специфично, прочно и обратимо связывать ионы железа Ре (III) и других переходных металлов. Наиболее подробно из этой группы белков изучен трансферрин сыворотки крови. Функция трансферрина заключается в транспорте ионов железа в ретикулоциты, в которых осуществляется биосинтез гемоглобина. Система трансферрин - ретикулоцит считается весьма перспективной для изучения взаимодействия металла с белком и белковой молекулы с клеткой.
Флавопротеины
Флавопротеины содержат прочно связанные с белком простетические группы, представленные изоаллоксазиновыми производными - окисленными флавинмононуклеотидом (ФМН) и флавинадениндинуклеотидом (ФАД). Флавопротеины входят в состав оксидоредуктаз - ферментов, катализирующих оксилительно-восстановительные реакции в клетке. Некоторые флавопротеины содержат ионы металлов. Типичными представителями флавопротеинов, содержащих также негемовое железо, являются ксантиноксидаза, альдегидоксидаза, СДГ, дигидрооротатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа и транспортирующий электроны флавопротеин. На долю двух последних приходится до 80% митохондриальных флавопротеинов, выполняющих важную роль в биоэнергетике клетки. Негемовое железо связывается с белковым компонентом, отличающимся от гемсодержащих хромопротеинов. Железо ковалентно связано с атомом серы остатка цистеина в белке. При кислотном гидролизе такого белка освобождаются железо и Н2S. Несмотря на структурные отличия от цитохромов, негемовые флавопротеины обладают аналогичной функцией в транспорте электронов благодаря способности переходить из окисленного в восстановленное состояние.
НУКЛЕОПРОТЕИНЫ
Нуклеопротеины состоят из белков и нуклеиновых кислот. Последние рассматриваются как простетические группы. В природе обнаружено два типа нуклеопротеинов, отличающихся друг от друга по составу, размерам и физико-химическим свойствам: дезоксирибонуклеопротеины (ДНП) и рибонуклеопротеины (РНП). Названия нуклеопротеинов отражают только природу углеводного компонента (пентозы), входящего в состав нуклеиновых кислот. У РНП углевод представлен рибозой, у ДНП - дезоксирибозой. Название "нуклеопротеины" связано с названием ядра клетки, однако ДНП и РНП содержатся и в других субклеточных структурах. Следовательно, речь идет о химически индивидуальном классе органических веществ, имеющих своеобразные состав, структуру и функции, независимо от локализации в клетке. Тем не менее доказано, что ДНП преимущественно локализованы в ядре, а РНП - в цитоплазме. В то же время ДНП открыты в митохондриях, а в ядрах и ядрышках обнаружены также высокомолекулярные РНП.
Пристальное внимание исследователей привлечено к структуре и функции макромолекул, включающих комплексы белков и нуклеиновых кислот. Этот особый интерес вызван тем, что многообразие жизненных проявлений непосредственно связано с этими полимерными молекулами. Биохимики имеют достаточно оснований для утверждения, что природа синтезированных в клетках белков зависит в первую очередь от природы ДНП, точнее ДНК, а свойства живых организмов, как и структурная организация субклеточных органелл, клеток и целостного организма, определяются свойствами синтезированных белков.
ДНК хранит наследственную информацию. Подтверждением этого положения служит явление трансформации, наблюдаемое у бактерий и открытое также в культуре клеток человека. Сущность этого явления заключается в превращении одного генетического типа клеток в другой путем изменения природы ДНК. Так, удалось получить штамм капсулированных и вирулентных пневмококков из исходного штамма, не обладающего этими признаками, путем внесения в среду ДНК, выделенной из капсулированного (и вирулентного) штамма. С нуклеопротеинами и соответственно нуклеиновыми кислотами непосредственно связаны, кроме того, такие биологические процессы, как митоз, мейоз, эмбриональный и злокачественный рост и др.
У большинства клеток эукариот, когда ядро находится в интерфазе, из ДНК и белковых молекул образуются так называемые филаменты, нити, имеющие меняющуюся толщину (в среднем около 10 нм, реже 2 нм). Оказывается, что толщина филаментов определяется наличием или отсутствием белков, окружающих двухспиральную структуру ДНК, а длина их - молекулярной массой ДНК. Известно, что 1 хромосома содержит 1 молекулу ДНК, имеющую длину несколько сантиметров. Вообще ДНК входит в состав мононуклеосом, являющихся составной частью хромосомы. Таким образом, в состав хроматина входит 1 молекула ДНК, 5 различных классов белков - гистонов и так называемые негистоновые белки. Количество ДНК в ядре составляет до 6 пг (10-12 г) на 1 клетку животных. У Е. соli содержание ДНК равно 0,01 пг.
Относительно белкового состава ДНП известно, что все 5 классов гистонов различаются по размерам, аминокислотному составу и величине заряда (всегда положительный). Так, различают гистоны, богатые лизином (Н1), молекулярная масса которых в среднем составляет 20000, и богатые аргинином (молекулярная масса до 15000). Они обозначаются следующими символами:
Н1 - богатые лизином,
Н2А - богатые аргинином и лизином,
Н2В - умеренно богатые аргинином и лизином,
Н3 - богатые аргинином,
Н4 - богатые глицином и аргинином.
Природа негистоновых белков пока не выяснена. Предполагается, что в их состав входят сложные белки, ферменты, а также регуляторные белки. По своим свойствам последние отличаются от гистонов и представлены кислыми белками.
В различных нуклеопротеинах количество нуклеиновой кислоты колеблется в пределах от 40 до 65% (например, в рибосомах про- и эукариот). В вирусных нуклеопротеинах количество нуклеиновых кислот не превышает 2 - 5% от общей массы. Так, например, у вируса табачной мозаики (ВТМ) на долю РНК1, правда с огромной молекулярной массой - около 2 000 000 Да, приходится всего около 2%. Остальная часть этой гигантской вирусной частицы приходится на долю однотипных белковых субъединиц (рис. 1.). ______________________
1 Растительные вирусы чаще всего содержат РНК, в то время как вирусы, поражающие клетки животных, содержат как РНК (вирус саркомы Рауса и др.), так и ДНК (вирус папилломы). Бактериофаги также содержат РНК или ДНК в комплексе с белками.
Ионная связь между РНК и белковыми молекулами ВТМ весьма непрочна и легко разрывается даже в мягких условиях, что позволяет отделить РНК от белка. Интересно, что после удаления разрывающего ионную связь агента, при смешивании этих продуктов происходят полная регенерация исходного ВТМ, восстановление всех его физических параметров и биологических свойств, включая способность поражать зеленый лист. Это явление самосборки, впервые открытое у ВТМ, в дальнейшем было обнаружено также у бактериофагов, представленных нуклеопротеинами. Аналогичным образом осуществляется самосборка валиновой тРНК (рис. 2.).
Акад. А. С. Спирин и одновременно М. Номура разделили 708 рибосомы (рибонуклеопротеины) на их составляющие и подобрали условия для самосборки полноценных функционирующих рибосом. В основе этого удивительного явления самосборки лежит, по-видимому, программа, содержащаяся в первичной структуре как белка, так и нуклеиновой кислоты и определяющая, какое количество и в какой последовательности должно присоединиться белковых молекул к единственной молекуле РНК (в случае ВТМ) или к 3 молекулам РНК (в рибосомах), чтобы обеспечить высокую точность реконструкции надмолекулярных структур.
ЛИПОПРОТЕИНЫ
В последние годы достигнут определенный прогресс в выяснении химической природы и структуры липопротеинов. Этот класс сложных белков состоит из белка и простетической группы, представленной каким-либо липидом. В частности, в составе липопротеинов открыты нейтральные жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, холестериды. Липопротеины широко распространены в природе, в растениях, тканях животных и у микроорганизмов и выполняют разнообразные биологические функции. Липопротеины входят в состав клеточной мембраны и внутриклеточных биомембран ядра, митохондрий, микросом (это структурированные липопротеины), а также присутствуют в свободном состоянии (главным образом в плазме крови). К липопротеинам относятся, кроме того, тромбопластический белок ткани легких, липовителлин желтка куриного яйца, некоторые фосфолипиды молока и т. д. Установлено, что липопротеины участвуют в структурной, комплексной организации миелиновых оболочек, нервной ткани, хлоропластов, фоторецепторной и электронно-транспортной систем, палочек и колбочек сетчатки и др.
Липопротеины подразделяются на α-липопротеины (ЛПВП), β-липопротеины (ЛПНП), пре-β-липопротеины (ЛПОНП) и хиломикроны.
Относительно механизма связывания белкового компонента с липидами имеются данные, что в образовании липопротеинов участвуют нековалентные силы различной природы, определяемые наличием или отсутствием у липидного компонента ионизированных групп атомов. Если в образовании липопротеина участвуют фосфолипиды, то между ними и белковой молекулой возникает ионный тип связи (рис. 3).
Доказано также существование гидрофобных взаимодействий между неполярными группами липидного компонента (например, радикалы жирных кислот) и белковой молекулы. Однако чаще в липопротеинах действуют комбинированно разные нековалентные силы, способствуя образованию в высшей степени упорядоченной двойной белково-липидной структуры биомембран.
ФОСФОПРОТЕИНЫ
К белкам этого класса относятся казеиноген молока, в котором содержание фосфорной кислоты достигает 1%, вителлин, вителлинин и фосвитин, выделенные из желтка куриного яйца, овальбумин, открытый в белке куриного яйца, ихтулин, содержащийся в икре рыб, и др. Большое количество фосфопротеинов содержится в ЦНС. Фосфопротеины занимают особое положение в биохимии фосфорсодержащих соединений не только в результате своеобразия структурной организации, но и вследствие широкого диапазона функций в метаболизме.
Характерной особенностью структуры фосфопротеинов является то, что фосфорная кислота оказывается связанной сложноэфирной связью с белковой молекулой через гидроксильные группы β-оксиаминокислот, главным образом серина и в меньшей мере треонина. Новые данные свидетельствуют о том, что фосфопротеины в клетках синтезируются в результате посттрансляционной модификации, подвергаясь фосфорилированию при участии протеинкиназ.
Таким образом, уровень фосфопротеинов в клетке зависит в значительной степени от регулирующего действия ферментов, катализирующих фосфорилирование (протеинкиназы) и дефосфорилирование (протеинфосфатазы).
также фосфопротеины содержат органически связанный, лабильный фосфат, абсолютно необходимый для выполнения клеткой ряда биологических функций. С другой стороны, они являются ценными источниками энергетического и пластического материала в процессе эмбриогенеза и дальнейшего постнатального роста и развития организма.
Следует особо отметить, что ряд ключевых ферментов, регулирующих процессы внутриклеточного обмена веществ, также существует как в фосфорилированной, так и в дефосфорилированной формах. Этим подчеркивается значение фосфорилирования - дефосфорилирования в процессах химической модификации макромолекул.
ГЛИКОПРОТЕИНЫ
Белки это класса весьма прочно связаны с углеводами и их производными. Связь между углеводным компонентом и белковой частью в разных гликопротеинах осуществляется через одну из трех аминокислот: аспарагин, серии или треонин. На основании углеводных компонентов гликопротеины (прежнее название протеогликаны, гликозаминопротеогликаны, мукополисахариды) можно подразделить на содержащие:
гиалуроновую кислоту [показать].
хондроитинсерную кислоту [показать].
Кроме этого при гидролизе нативных гликопротеинов из межклеточного вещества, сыворотки крови и других биологических жидкостей в гидролизате обнаруживают глюкозу, маннозу, галактозу, ксилозу, арабинозу, глюкуроновую, уксусную и серную кислоты, нейраминовую и сиаловые кислоты и др.
К биологически активным гликопротеинам относятся открытые в последнее десятилетие интерфероны, синтезируемые в животных клетках в ответ на возбуждение экзогенным стимулятором; они наделены антивирусными и противоопухолевыми свойствами и оказывают клеточно- и иммунорегуляторное действие. Различаются интерфероны содержанием углеводных компонентов, разной последовательностью аминокислот, молекулярной массой и фармакологическим действием. В настоящее время не только выяснена первичная структура интерферонов (содержат около 160 аминокислотных остатков), но и методами генной инженерии синтезированы α-, β- и γ-интерфероны. Установлено, что после завершения синтеза белковой части молекулы происходит присоединение углеводного компонента, и затем полная молекула интерферона секретируется клеткой. Отличительными особенностями состава интерферонов являются высокое содержание гидрофобных аминокислот и наличие всего одного остатка пролина.
Из других гликопротеинов, выполняющих ряд важнейших биологических функций, следует отметить все белки плазмы крови (за исключением альбуминов), трансферрин, церулоплазмин, гонадотропный и фолликулостимулирующие гормоны, некоторые ферменты, а также гликопротеины в составе слюны (муцин), хрящевой и костной тканей и яичного белка (овомукоид). Следует отметить, что углеводные компоненты, помимо информативной функции, значительно повышают стабильность молекул, в состав которых они входят, к различного рода химическим, физическим воздействиям и предохраняют их от действия протеиназ, определяя тем самым биологическую роль гликопротеинов. Являясь составной частью клеточной оболочки, гликопротеины участвуют, кроме того, в иммунологических реакциях, ионном обмене, процессах межклеточной адгезии и т. д.
МЕТАЛЛОПРОТЕИНЫ
К металлопротеинам относятся
биополимеры, содержащие, помимо белка, ионы какого-либо одного или нескольких металлов
ферритин [показать].
трансферрин [показать].
гемосидерин [показать].
белки, координационно связанные с атомами металлов в составе сложных белков-ферментов, для которых металл служит или мостиком между белковым компонентом и субстратом, или, что более вероятно, металл в них непосредственно выполняет каталитическую функцию. Имеющиеся данные о некоторых ферментах, активность которых зависит от присутствия ионов металлов,