Белки классифицируются разными способами

Большое число белков и их многообразие требует создания классификации белков. К сожалению, обычные принципы классификации, используемые в химии не могут быть использованы в приложении к белкам. Чаще всего пользуются функциональной классификацией, разделяя их по выполняемым ими функциям (см выше). Можно разделить белки по степени сложности их молекул на простые и сложные. Простые построены только из аминокислот, а сложные содержат в своем составе дополнительные небелковые группы. Такие группы называют простетическими. По форме белковой молекулы белки делят на глобулярные (шаровидные) и фибриллярные (нитевидные). По растворимости в воде выделяют водорастворимые, солерастворимые, нерастворимые в воде. Последние характерны для биологических мембран.

Простые белки построены только из аминокислот

Водорастворимые представители простых белков обычно имеют глобулярную форму. Форма их описывается моделью "элипсоид вращения". Соотношение осей в таком элипсоиде может колебаться в широких пределах. Простые белки такого типа обычно находятся в биологических жидкостях, выполняют транспортные функции, являются ферментами и т.д. На основании различной растворимости простых белков в воде и солевых растворах различают альбумины и глобулины.

Глобулины при высаливании осаждаются при относительно низких концентрациях солей, а альбумины - при более высоких. Альбумины имеют более низкую молекулярную массу, глобулины более разнообразны, с широким пределом колебаний молекулярной массы - от нескольких десятков тысяч до миллионов. Альбумины выполняют, в основном, транспортную функцию, а у глобулинов более широкий спектр функций. Это и транспорт веществ, и катализ реакций (ферменты крови), и защитная функция (иммуноглобулины). В крови поддерживается постоянным отношение альбуминов к глобулинам (коэффициент равен 1.7-2.3).

Водонерастворимые простые белки имеют форму нитей. Их называют фибриллярными. Им присуща структурная функция. Они выделены из кожи, костей, сухожилий и других разновидностей соединительной ткани. Эта ткань образует каркас для всего организма и для отдельных органов. Типичным белком этого типа можно считать коллаген. Это один из самых распространенных белков в организме человека.

Сложные белки содержат небелковые компоненты

Многие белки в своем составе, помимо аминокислот, могут содержать и небелковые компоненты. Такие небелковые соединения в составе белков получили название простетических групп. В зависимости от химического состава простетической группы сложные белки можно разделить на несколько классов:

1. Хромопротеины. Это белки, простетическая группа которых имеет окраску. К ним относятся многие белки, содержащие металлы. Например, церулоплазмин - белок, содержащий медь, имеет синюю окраску. Белок, переносящий витамин B₁₂, имеет розовый цвет (этот витамин содержит кобальт в своем составе). Хорошо изучены белки, содержащие железо: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Они имеют красную окраску. Присутствие витамина B₂ придает белкам желтый цвет (флавопротеины).

2. Гликопротеины. Это белки, простетическая группа которых содержит углеводы. Гликопротеины - это небольшая часть белково-углеводных комплексов, к которым относятся также протеогликаны и мукопротеины. Этим белкам принадлежит важная роль в структурной организации клеток и тканей, они выполняют защитные функции. Основная часть внеклеточных белков - это гликопротеины.

3. Липопротеины. Это белки, простетическая группа которых содержит липиды. Они обеспечивают транспорт липидов в крови, являются компонентами биологических мембран.

4. Металлопротеины. Это белки, частично перекрывающиеся с хромопротеинами. Простетичская группа у них представлена металлами. Они транспортируют или участвуют в депонировании металлов (ферритин, трансферрин).

5. Нуклеопротеины. Простетическая группа у таких белков - нуклеиновая кислота. Различают дезоксирибонуклеопротеины (простетическая группа - ДНК) и рибонуклеопротеины (простетичесая группа - РНК). Им принадлежит важная роль в сохранении, передаче и реализации генетической информации.

6. Фосфопротеины. Белки, которые содержат в своем составе фосфорную кислоту, популярны в клетке потому, что процесс фосфорилирования является способом влияния на конформацию белка и поэтому используется в системах регуляции процессов жизнедеятельности.

Простетические группы соединяются разными типами связей. Так для нуклеопротеинов характерной является ионная связь, у гликопротеинов и фосфопротеинов преобладает ковалентная связь, у липопротеинов - силы гидрофобного взаимодействия, металлопротеинов - донорно-акцепторные связи.

В качестве примера особенности роли структуры в биологических функциях можно привести данные по двум белкам - миоглобине и гемоглобине. Они имеют некоторое структурное и функциональное сходство. Миоглобин и гемоглобин обладают простетичесой групой - гемом. Он, по химической структуре, является циклическим тетрапирролом и придает белкам красный цвет (рис.1.33). Тетрапирол состоит из 4-х пиррольных колец, соединенных в плоскую молекулу метиленовыми мостиками. Атом железа занимает центральное положение

Рис.1.33. Пространственное строение миоглобина человека

в этой плоской молекуле. Существуют и другие белки с тетрапиррольными структурами (цитохромы, каталаза и т.д). Железо в составе гема цитохромов способно менять свою валентность. Напротив, в гемоглобине и миоглобине изменение валентности нарушает их функцию. Главная функция этих белков - связывание кислорода.

Миоглобин - это сферическая молекула 4.5х3.5х2.5 нм, состоит из 153 аминокислот с общей молекулярной массой 17000. На уровне вторичной структуры он образует 8 -спиральных участков, захватывающих почти 75% всех аминокислот молекулы. Атом железа в геме миоглобина, не связанном с кислородом, выступает из плоскости молекулы на 0.03 нм. В оксигенированной форме атом железа как бы погружается в плоскость молекулы гема.

Рис.1.34. Изменение ориентации гема в результате связывания кислорода (слева - дезоксигенированное состояние)

Образуя связь с одной из молекул гистидина глобиновой части, железо при соединении с кислородом изменяет и конформацию белковой части. Чем можно объяснить тот факт, что миоглобин удобен для хранения кислорода, но не удобен для транспорта его по крови? Ответ на этот вопрос можно получить, если познакомиться с графическим выражением процесса насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом в зависимости от парциального давления кислорода.

Рис. 1.35. Различия в насыщении кислородом миоглобина и гемоглобина в зависимости от его парциального давления

Кривая насыщения миоглобина кислородом представлена гиперболой (рис.1.35). В сосудах легких, где парциальное давление кислорода 100 мм Hg, миоглобин бы хорошо насыщался кислородом. Однако в венозной крови это давление составляет 40 мм Hg а в мыщцах - 20. В таких условиях миоглобин отдает довольно мало кислорода, поэтому он был бы недостаточно эффективен в транспорте кислорода от легких к тканям. Эту функцию успешно осуществляет гемоглобин.

В отличие от миоглобина гемоглобин - это белок с четвертичной структурой. Он состоит из 4-х попарно одинаковых полипептидных цепей. Эти цепи обозначаются буквами греческого алфавита  - , -,  - и т. д. Тетрамеры пептидных цепей формируют молекулы,

обозначаемые буквами латинского алфавита. Основной гемоглобин взрослого здорового человека обозначается Hb A и состоит из двух (141 аминокислота) и двух (146 аминокислот) цепей.

Гемоглобин связывает 4 молекулы кислорода. Кривая насыщения гемоглобина кислородом в отличие от миоглобина имеет S-образный характер (рис.1.35, слева). Такой тип кривой показыает, что присоединение одной молекулы кислорода ускоряет присоединение последующих, что свидетельствует о кинетике кооперативного связывания. Сравнение зависимости насыщения от парциального давления кислорода показывает, что при парциальных давлениях кислорода, характерных для тканей, гемоглобин отдает значительные количества кислорода. Это позволяет придти к заключению о том, что гемоглобин - хорошее транспортное средство для переноса кислорода и обеспечении им тканей.

Подобно изменениям, отмеченным выше при описании механизма насыщения кислородом миоглобина, в гемоглобине также происходит перемещение атома железа в плоскость гема с одновременным изменением конформации полипептидной цепи. Однако гемоглобин - белок с четвертичной структурой, и отдельные его цепи связаны между собой. В результате изменения конформации передаются на область связи между полипептидными цепями, а это, в свою очередь, изменяет положение в пространстве всей молекулы и облегчает доступ кислорода к остальным гемам молекулы гемоглобина. Одновременно это изменение

Рис.1.36. Изменения конформации гемоглобина в результате связывания с кислородом

конформации сопровождается появлением на поверхности групп, которые, диссоциируя, отдают протоны в окружающую среду.

При понижении парциального давления кислорода события повторяются, но уже в обратном направлении: отдача кислорода идет по мере снижения парциального давления, гемоглобин переходит в другое конформационное состояние, при этом из окружающей среды (ткани), где высока концентрация протонов, последние присоединяются к гемоглобину.

Такие изменения конформации позволяют гемоглобину не только регулировать обеспечение кислородом тканей (подробней см. главу "Ферменты"), но и участвовать в поддержании кислотно-щелочного равновесия в организме.

Типы гемоглобинов человека. Ниже представлены основные типы гемоглобина, которые встречаются у человека в различные периоды его развития.

Таблица 1.2.

Структурные признаки гемоглобинов человека

Белок	Состав глобиновой цепи	Распространение
Гемоглобин А (Hb A)	22	Основной тип гемоглобина у взрослых (95-98%)
Гемоглобин А2 (Hb A2)	22	Минорный тип гемоглобина у взрослых (1,5-3,5%)
Гемоглобин F (Hb F)	22	Основной тип гемоглобина у плода; у взрослых - 0,5-1%
Hb Гувер-1	22	Эмбриональный гемоглобин
Hb Гувер-2	22	Эмбриональный гемоглобин
Hb Портланд	22	Эмбриональный гемоглобин

Во время внутриутробного развития плод получает кислород из крови матери через плаценту. Для обеспечения бесперебойного поступления кислорода таким путем кровь плода должна иметь большее сродство к кислороду, чем кровь матери. За счет чего это достигается?

У плода образуется Hb F, молекула которого также состоит из четырех субъединиц, двух -  и двух - . Наиболее значительным отличием -глобиновой субъединицы от -глобиновой субъединицы является замещение остатка полярной заряженной аминокислоты Гис¹⁴³ в -субъединице незаряженной аминокислотой Сер в -субъединице. Это приводит к тому, что Hb F имеет более низкое сродство для аллостерического регулятора 2,3-бис-фосфоглицерата (см. главу "Обмен углеводов"), чем Hb A. Тем самым он обладает гораздо большим сродством к кислороду.

С другой стороны, изменения аминокислотного состава глобиновых субъединиц, возникающие в результате мутаций соответствующих генов, приводят к образованию патологических форм гемоглобина и развитию заболеваний - гемоглобинопатий.

Таблица 1.3.

Виды гемоглобинопатий

Эффект	Гемоглобин	Мутация	Последствия
Сниженное сродство к кислороду	Hb Канзас	Асн102Тре	Небольшой цианоз
Увеличенное сродство к кислороду	Hb Шеферда - Буша	Гли74Асп	Сниженное связывание бис-фосфоглице-рата; полицитемия
Окисленный гем	Hb М	Гис87Тир	Метгемоглобин; цианоз
Потеря (в результате нарушения связывания) гема	Hb Хаммерсмита	Фен42Сер	Нестабильная -субъединица
Серповидные клетки	Hb S	Глю6Вал	Гемолитическая анемия
Диссоциация на димеры	Hb Бибба	Лей136Про	Нестабильный тетрамер
Нарушенный синтез	Hb Агнана	Вставка ТГ в 94 кодоне - образование -субъединицы со 156 аминокислотами	Доминантная талассемия, анемия

Талассемические синдромы развиваются вследствие нефункционирующих глобиновых генов. При этом недостаточный синтез любой из субъединиц гемоглобина приводит к гемолитической анемии. Тяжесть этого состояния зависит от количества генов в аллельной паре, подвергшихся мутации. Различают -талассемию, при которой снижен уровень -глобина. В этом случае в качестве компенсаторной реакции в организме продолжается образование Hb F (₂₂). -талассемия характеризуется сниженным уровнем образования -глобина. Обычно это более тяжелое состояние, чем -талассемия. Клинически проявления могут варьировать от средней и тяжелой анемии до мертворождения. Компенсаторно при -талассемии образуется Hb H (₄) и гемоглобин Барта (₄). Надо отметить, что ни один из этих гемоглобинов не подвержен аллостерической регуляции и эффекту Бора; они оба остаются в R-конформационном состоянии (рис.1.36).

Серповидно-клеточная анемия возникает в результате точечной мутации гена -глобина, которая приводит при его экспрессии к замене в шестом положении -глобиновой полипептидной цепи Глю на Вал. Следовательно, у индивидуумов с HbS заменена полярная группа боковых цепей на внешней поверхности молекулы неполярной гидрофобной группой боковых цепей (неконсервативная мутация). За счет гидрофобного взаимодействия между этими неполярными радикалами валина HbS в его дезоксиконформации полимеризуется с другими молекулами дезокси HbS, приводя к осаждению гемоглобина в эритроцитах. Осаждение гемоглобина придает эритроциту форму серпа и неустойчивость, что приводит к ускорению гемолиза и изменению эластических свойств мембраны, необходимых во время кровообращения через маленькие капилляры. Такие эритроциты вызывают закупоривание капилляров.

Серповидно-клеточная анемия является наследуемым мультисистемным заболеванием, для которого характерны как физиологические, так и психосоциальные проявления. Различают три генотипа с различной клинической картиной проявления этого расстройства:

• У гомозигот (Hb SS) - тяжелая серповидно-клеточная анемия

• У гетерозигот (Hb AS) - слабо выражена клиническая симптоматика

• Смешаная форма серповидно-клеточного заболевания и ₄-талассемии. При ней наследуются два патологических типа гемоглобина. Для неё характерна благоприятная клиническая симптоматика. Гематологически тяжесть его обратно пропорциональна количеству Hb А. Последнее может колебаться от 3 до 25%.

Основные симптомами этого заболевания являются гемолитическая анемия и периодически проявляющийся болевой синдром. Интересно, что индивидуумы, гетерозиготные по HbS, устойчивы к паразиту малярии, который проводит часть своего жизненного цикла в эритроцитах. Это является фактором отбора гена HbS в малярийных регионах мира.

HbS открывается гель электрофорезом. Отсутствие Глу делает его менее кислым, чем гемоглобин А, поэтому он мигрирует не так быстро при электрофорезе. Возможна диагностика и генрекомбинантым методом.