Лекция № 8. Тема «химия белка».

1. Сложные белки, представители, характеристика, биологическое значение:

- нуклеопротеиды,

- хромопротеиды,

- фосфопротеиды,

- гликопротеиды,

- липопротеиды.

2. Миоглобин – строение молекулы, биологическое значение.

3. Гемоглобин – особенности его строения, биологические фукции.

4. Типы гемоглобна – физиологические и патологические, их биологическое и клиническое значение.

5. Методы выделения и очистки белков, их значение в лабораторной диагностике.

Классификация сложных белков базируется на химических особенностях их небелковых компонентов – простетических групп. Исходя из этого они разделяются на хромопротеиды, фосфопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, нуклеопротеиды и др.

ХРОМОПРОТЕИДЫ – это белки, простетическая группа которых имеет окраску. К ним относятся многие белки, содержащие Ме. Например, церулоплазмин – белок, содержащий медь, имеет синюю окраску. Белок, переносящий витамин В₁₂, имеет розовый цвет (этот витамин имеет в своем составе кобальт). Хорошо изучены белки, содержащие железо: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Они имеют красную окраску. Красный цвет миоглобина и гемоглобина обеспечивается гемом – циклическим тетрапирролом. Атом железа в этой молекуле занимает центральное положение. Цитохромы, каталаза – это тоже белки с тетрапиррольными структурами. Железо в составе гема цитохромов способно менять свою валентность. А в гемоглобине и миоглобине изменение валентности железа нарушает их функцию – связывание кислорода.

Так как многие изместные биологически активные хромопротеиды содержат металл, их ещё называют металлопротеидами. К железосодержащим металлопротеидам, имеющим окраску, относятся гемоглобин, миоглобин, цитохромы и цитохромоксидаза. Некоторые металлопротеиды окраски не имеют. Например, фермент карбоангидраза, содержащий цинк, относится к неокрашенным металлопротеидам. Известны хромопротеиды, не содержащие металла. К ним относятся некоторые флавопротеиды, в состав которых входит рибофлавин – витамин В₂. Хромопротеиды имеют очень важное значение, поскольку они обусловливают процессы дыхания у многих организмов, особенно у человека и высших животных.

Гемоглобин – состоит из белка глобина и небелковой части гема, в составе которого имеется атом Fе(II). Молекула Нb содержит 4 гема и является белком с четвертичной структурой (4 субъединицы – 2 α-цепи и 2 β-цепи, каждая из которых имеет свою третичную структуру и особым образом уложена вокруг кольца гема). Каждая из субъединиц похожа на молекулу миоглобина. Молекула гемоглобина способна присоединять 4 молекулы О₂. Гемоглобин переносит кислород от легких к тканям, а углекислый газ в обратном направлении.

Нb + О₂ → НbО₂ – оксигемоглобин – в капиллярах легких Нb насыщается кислородом при высоком парциальном давлении (100 мм.рт.ст.).

В капиллярах тканей, где парциальное давление кислорода низкое (5 мм.рт.ст.) НbО₂ → на Нb и О₂. Кислород переходит в ткани, а освободившийся Нb соединяется с поступившим из тканей СО₂ и превращается в НbСО₂ – карбгемоглобин, который переносится с кровью к легким. В легочных капиллярах НbСО₂ → Нb + СО₂. СО₂ выводится из организма при выдыхании, а Нb вновь насыщается кислородом.

Сравнение зависимости насыщения от парциального давления кислорода показывает, что при парциальных давлениях кислорода, характерных для тканей, гемоглобин отдает значительные количества кислорода. В гемоглобине происходит перемещение атома железа в плоскость гема с одновременным изменением конформации полипептидной цепи, но так как молекула Нb имеет четвертичную структуру и отдельные цепи связаны между собой, то это позволяет передать изменения конформации на область связи между полипептидными цепями. Это изменяет положение в пространстве всей молекулы и облегчает доступ О₂ к остальным гемам молекулы Нb. Одновременно это изменение конформации сопровождается появлением на поверхности групп, которые, диссоциируя, отдают протоны (Н⁺) в окружающую среду. При понижении парциального давления кислорода события повторяются в обратном направлении: отдача кислорода идет по мере снижения парциального давления, гемоглобин переходит в другое конформационное состояние, при этом из окружающей среды (ткань), где высока концентрация протонов, протоны присоединяются к гемоглобину. Такие изменения конформации позволяют гемоглобину не только регулировать обеспечение кислородом тканей, но и участвовать в поддержании кислотно-основного равновесия в организме.

При отравлении угарным газом в крови образовывается карбоксигемоглобин Нb + СО → НbСО – прочное соединение, препятствует образованию НbО₂ и транспорту кислорода. Возникает кислородное голодание.

Различные формы Нb определяются методом спектрального анализа. У взрослого человека молекула НbА (2 α-цепи и 2 β-цепи). Но от целого ряда условий состав цепей гемоглобина может меняться. У плода НbF (фетальный – 2 α-цепи, 2 γ-цепи) – он лучше связывает кислород при его относительной недостаточности в период внутриутробного развития.

В результате определенных нарушений генетического аппарата клетки Нb патологический, а заболевания – гемоглобинопатии наследственного происхождения.

Классическим примером является серповидно-клеточная анемия (аномальный гемоглобин – причина). Синтезируется β-цепь необычного состава, в которой валин занимает место глутаминовой кислоты, присутствующей в нормальном НbА. Изменение такое вызывает нарушение структуры и свойств Нb, который обозначается НbS – он легко выпадает в осадок, обладает сниженной способностью переносить кислород. В результате эритроциты, содержащие НbS приобретают форму серпа. Клинически: нарушается кровообращение и дыхание, иногда летальный исход.

Миоглобин – хромопротеид, содержащийся в мышцах. Он обладает простетической группой – гемом, циклическим тетрапирролом, придающим ему красный цвет. Тетрапиррол состоит из 4 пиррольных колец, соединенных в плоскую молекулу метиленовыми мостиками. Атом железа занимает центральное положение в этой плоской молекуле. Железо составе гема цитохромов способно менять свою валентность, в гемоглобине и миоглобине изменение валентности железа нарушает их функцию. Главная функция и гемоглобина и миоглобина – связывание кислорода.

Миоглобин – сферическая молекула, состоит из 153 аминокислот с общей молекулярной массой 17000. он состоит из одной цепи, аналогичной субъединице Нb. На уровне вторичной структуры он образует 8 α-спиральных участков, захватывающих почти 75% всех аминокислот молекулы. Атом железа в геме миоглобина, не связанный с кислородом, выступает из плоскости молекулы на 0,03 нм. В оксигенированной форме атом железа как бы погружается в плоскость молекулы гема. Образуя связь с одной из молекул гистидина глобиновой части, железо при соединении с кислородом изменяет и конформацию белка. Миоглобин удобен для хранения кислорода, но не удобен для транспорта его по крови. Это объясняется процессом насыщения миоглобина в зависимости от парциального давления кислорода. Так как в легких парциальное давление кислорода 13,3 кПа, миоглобин хорошо бы насыщался кислородом, но в венозной крови это давление составляет 5,3 кПа, а в мышцах ещё меньше – 2,6 кПа. Миоглобин в таких условиях сможет отдавать мало кислорода и будет недостаточно эффективен в транспорте кислорода от легких к тканям.

ФОСФОПРОТЕИДЫ – это белки, содержащие фосфор. Фосфорная кислота в их молекуле образует сложноэфирные связи с гидроксильными группами таких оксиаминокислот, как серин и треонин. К фосфопротеидам относится большая группа белков, в том числе белок молока – казеиноген, который под влиянием желудочного сока в процессе переваривания белков молока превращается в нерастворимый казеин.

Овоальбумин – фосфопротеид яичного белка. Он составляет около 70% всего яичного белка. К фосфопротеидам относятся белки яичного желтка – вителин, вителенин и фосфовитин. Фосфопротеиды в больших количествах входят в те ткани, которые являются питательным материалом для быстро растущих эмбрионов или для молодых организмов, характеризующихся большой интенсивностью обмена и быстрым ростом.

ГЛИКОПРОТЕИДЫ – это белки, простетическая группа которых содержит углеводы – протеогликаны и мукопротеины. Этим белкам принадлежит важная роль в структурной организации клеток и тканей, они выполняют защитные функции. (Входят в состав клеточных мембран, участвуют в процессах свертывания крови, иммунитет, в слизь и секреты ЖКТ.) Например, гликопротеид (полисахарид гепарин) проявляет свою антикоагулянтную функцию в основном в комплексе с белками.

В крови человека и высших животных содержится много гликопротеидов. К ним относятся альбумины, глобулины, фибриноген и ряд других белков крови.

Группа соединений, у которых белковая часть относительно слабо связана с углеводной, а последняя характеризуется высоким содержанием сахаров, гексуроновых кислот и сульфатов, называется – мукопротеидами. Поскольку эти вещества содержат гексуроновые кислоты и остатки серной кислоты, они имеют кислый характер, т.е. являются кислыми гликопротеидами. К таким мукопротеидам относятся: хондромукоиды хрящей, которые содержат хондроитинсерную кислоту; гиаломукоиды основного вещества соединительной ткани, в состав которых входит гиалуроновая кислота, и некоторые другие.

Муцины – входят в состав различных слизей. К ним относятся белки слизей пищевого канала (слюны, желудочного сока, кишечного сока). Муцины предохраняют слизистую желудка и кишки от расщепления пищеварительными ферментами, ослабляют механическое и химическое раздражение пищевого канала разными составными частями пищи или вредными примесями.

Мукоиды – это белки синовиальной жидкости суставов, хрящей, роговицы глаза. Мукоиды выполняют роль смачивающих материалов в аппарате движения человека и животных. В печени найдены комплексы белка с гликогеном.

В клетках многих тканей найден белок интерферон, имеющий свойства антивируса. В отличие от антител интерфероны взаимодействуют не с антигеном, а вызывают образование внутриклеточных ферментов, которые блокируют синтез вирусных белков, что препятствует размножению вирусов.

НУКЛЕОПРОТЕИДЫ – простетическая группа у таких белков – нуклеиновая кислота. Различают ДНК-нуклеопротеины и РНК-нуклеопротеины. Им принадлежит важная роль в сохранении, передаче и реализации генетической информации. Белковая часть – протамины и гистоны. Комплексы ДНК + протамин обнаружены в сперматозоидах; ДНК + гистон – в соматических клетках.

ЛИПОПРОТЕИНЫ – небелковая часть представлена липидами, обеспечивают транспорт липидов по крови, являются компонентами биологических мембран. Различают липопротеины низкой и высокой плотности – ЛПНП, ЛПВП и ЛПОНП – очень низкой плотности, хиломикроны.

Почти во всех органах и тканях находятся различные комплексы белков с липидами (нейтральными жирами, фосфатидами, стеридами). В значительных количествах они есть в клетках печени, почек, нервной ткани, крови, а так же в молоке и яйцах.