Особая структура и функции белков
Несмотря на свои недостатки, здесь используется функциональная классификация, чтобы по возможности продемонстрировать взаимосвязь между структурой и функцией белка. Структурные, волокнистые белки представлены первыми, поскольку их структура проще, чем у глобулярных белков, и более четко связана с их функцией, которая заключается в поддержании либо жесткой, либо гибкой структуры.
Структурные белки
Склеропротеины
Коллаген
Коллагеновые волокна
Коллаген — это структурный белок костей, сухожилий, связок и кожи. В течение многих лет коллаген считался нерастворимым в воде. Однако часть коллагена из кожи теленка может быть извлечена с помощью цитратного буфера при pH 3,7. Предшественник коллагена, называемый проколлагеном, преобразуется в организме в коллаген. Молекулярный вес проколлагена составляет 120 000. В результате расщепления одной или нескольких пептидных связей проколлагена образуется коллаген, состоящий из трех субъединиц, каждая из которых имеет молекулярную массу 95 000; таким образом, молекулярная масса коллагена составляет 285 000 (3×95 000). Три субъединицы закручены в виде спиралей вокруг вытянутой прямой оси. Длина каждой субъединицы составляет 2 900 ангстрем, а диаметр — около 15 ангстрем. Три цепи расположены в шахматном порядке, так что тример не имеет определенных терминальных границ.
Коллаген отличается от всех других белков высоким содержанием пролина и гидроксипролина. Гидроксипролин не встречается в значительных количествах ни в одном другом белке, кроме эластина. Большая часть пролина в коллагене присутствует в последовательности глицин-пролин-Х, в которой Х часто является аланином или гидроксипролином. Коллаген не содержит цистина или триптофана и поэтому не может заменить другие белки в рационе. Присутствие пролина вызывает перегибы в пептидной цепи и таким образом уменьшает длину аминокислотной единицы с 3,7 ангстрем в вытянутой цепи β-структуры до 2,86 ангстрем в цепи коллагена. В переплетенной тройной спирали глицины находятся внутри, ближе к оси; пролины — снаружи.
Нативный коллаген противостоит действию трипсина, но гидролизуется бактериальным ферментом коллагеназой. Когда коллаген кипятят с водой, тройная спираль разрушается, а субъединицы частично гидролизуются; продуктом является желатин. Развернутые пептидные цепи желатина удерживают большое количество воды, в результате чего получается гидратированная молекула.
При обработке коллагена дубильной кислотой или солями хрома между волокнами коллагена образуются поперечные связи, и он становится нерастворимым; на этом процессе дубления основано превращение шкуры в кожу. Дубленый материал нерастворим в горячей воде и не может быть превращен в желатин. Однако при воздействии воды при температуре 62−63°C (144−145° F) поперечные связи, образованные дубильными веществами, разрушаются, и кожа необратимо сокращается примерно до одной трети своего первоначального объема.
Похоже, что в живых организмах коллаген подвергается процессу старения, который может быть вызван образованием поперечных связей между коллагеновыми волокнами. Они образуются в результате превращения некоторых боковых цепей лизина в альдегиды (соединения с общей структурой R-CHO) и соединения альдегидов с ε-аминогруппами неповрежденных боковых цепей лизина. Белок эластин, который содержится в эластичных волокнах соединительной ткани, содержит аналогичные поперечные связи и может образовываться в результате соединения коллагеновых волокон с другими белками. При деградации сшитого коллагена или эластина образуются продукты сшивания лизиновых фрагментов, называемые десмозинами и изодесмозинами.
Кератин
Кератин, структурный белок эпителиальных клеток наружных слоев кожи, был выделен из волос, ногтей, копыт и перьев. Кератин совершенно нерастворим в холодной или горячей воде; он не подвергается воздействию протеолитических ферментов (т.е. ферментов, расщепляющих, или лизирующих, белковые молекулы), и поэтому не может заменить белки в рационе. Высокая стабильность кератина обусловлена многочисленными дисульфидными связями цистина. Аминокислотный состав кератина отличается от состава коллагена. Цистин может составлять 24 процента от общего количества аминокислот. Пептидные цепи кератина расположены в приблизительно равном количестве антипараллельных и параллельных плиссированных листов, в которых пептидные цепи связаны друг с другом водородными связями между карбонильными и иминогруппами.
Восстановление дисульфидных связей до сульфгидрильных групп приводит к диссоциации пептидных цепей, молекулярная масса каждой из которых составляет от 25 000 до 28 000. Образование постоянных волн при косметической обработке волос основано на частичном восстановлении дисульфидных связей кератина волос тиогликолем или другим мягким восстановителем, и последующем окислении сульфгидрильных групп (-SH) в переориентированных волосах до дисульфидных связей (-S-S-) под воздействием кислорода воздуха.
Длина кератиновых волокон зависит от содержания в них воды. Они могут связывать около 16% воды; такая гидратация сопровождается увеличением длины волокон на 10−12%.
Наиболее тщательно изученным кератином является кератин волос, особенно шерсти. Он состоит из смеси пептидов с высоким и низким содержанием цистина. Когда шерсть нагревают в воде до температуры около 90° C (190° F), она необратимо сокращается. Это объясняется разрывом водородных и других нековалентных связей; дисульфидные связи, по-видимому, не затрагиваются.
Другие
Наиболее тщательно изученным склеропротеином является фиброин, нерастворимый материал шелка. Шелк-сырец, из которого состоит кокон тутового шелкопряда, состоит из двух белков. Один из них, серицин, растворим в горячей воде, а другой, фиброин, — нет. Аминокислотный состав последнего отличается от состава всех других белков. Он содержит большое количество глицина, аланина, тирозина и серина, небольшое количество других аминокислот и ни одной серосодержащей. Пептидные цепи расположены в антипараллельных β-структурах. Фиброин частично растворим в концентрированных растворах тиоцианата лития или в смесях солей меди и этилендиамина. Такие растворы содержат белок с молекулярной массой 170 000, который представляет собой димер из двух субъединиц.
Мало что известно о склеропротеинах морских губок или нерастворимых белках клеточных мембран животных клеток. Некоторые мембраны растворимы в детергентах; другие, однако, нерастворимы в детергентах.
Мышечные белки
Общее количество мышечных белков у млекопитающих, включая человека, превышает количество любых других белков. Около 40% массы тела взрослого здорового человека весом около 70 килограммов (150 фунтов) составляют мышцы, которые состоят примерно на 20% из мышечного белка. Таким образом, человеческое тело содержит около 5−6 килограммов (11−13 фунтов) мышечного белка. Альбуминоподобная фракция этих белков, первоначально названная миогеном, содержит различные ферменты — фосфорилазу, альдолазу, глицеральдегидфосфатдегидрогеназу и другие; похоже, она не участвует в сокращении. Глобулиновая фракция содержит миозин, сократительный белок, который также присутствует в тромбоцитах — маленьких тельцах, находящихся в крови. Подобные сократительные вещества встречаются и в других сократительных структурах, например, в ресничках или жгутиках (хлыстовидных органах локомоции) бактерий и простейших. В отличие от склеропротеинов, сократительные белки растворимы в солевых растворах и подвержены ферментативному перевариванию.
Энергия, необходимая для сокращения мышц, обеспечивается за счет окисления углеводов или липидов. Для обозначения этого преобразования химической энергии в механическую используется термин механохимическая реакция. Известно, что в молекулярном процессе, лежащем в основе реакции, участвуют фибриллярные мышечные белки, пептидные цепи которых изменяют свою конформацию во время сокращения.
Миозин, который можно извлечь из свежей мышцы, добавив ее в охлажденный раствор разбавленного хлорида калия и бикарбоната натрия, нерастворим в воде. Миозин, растворы которого обладают высокой вязкостью, состоит из удлиненной — возможно, двухцепочечной — пептидной цепи, которая свернута с обоих концов таким образом, что образуется терминальная глобула. Длина молекулы составляет приблизительно 160 нанометров, а ее средний диаметр — 2,6 нанометра. Эквивалентный вес каждой из двух терминальных глобул составляет примерно 30 000; молекулярный вес миозина приближается к 500 000. Трипсин расщепляет миозин на крупные фрагменты, называемые меромиозином. Миозин содержит много аминокислот с положительно и отрицательно заряженными боковыми цепями; они составляют 18 и 16%, соответственно, от общего числа аминокислот. Миозин катализирует гидролитическое расщепление АТФ (аденозинтрифосфата). Более мелкий белок со свойствами, сходными со свойствами миозина, — тропомиозин. Его молекулярная масса составляет 70 000, а размеры — 45 на 2 нанометра. Более 90% его пептидных цепей находятся в форме α-спирали.
Миозин легко соединяется с другим мышечным белком — актином, молекулярная масса которого составляет около 50 000; он составляет от 12 до 15% мышечных белков. Актин может существовать в двух формах: одна, G-актин, — глобулярная, другая, F-актин, — волокнистая. Актомиозин — это сложная молекула, образованная одной молекулой миозина и одной или двумя молекулами актина. В мышце актиновые и миозиновые нити ориентированы параллельно друг другу и длинной оси мышцы. Актиновые нити соединены друг с другом по длине тонкими нитями, называемыми S-филаментами. Во время сокращения S-образные нити укорачиваются, поэтому актиновые нити скользят друг к другу, минуя миозиновые нити, вызывая тем самым укорочение мышцы.
Строение саркомера
Фибриноген и фибрин
Фибриноген, белок плазмы крови, в процессе свертывания превращается в нерастворимый белок фибрин. Жидкость без фибриногена, получаемая после удаления сгустка, называемая сывороткой крови, представляет собой плазму крови за вычетом фибриногена. Содержание фибриногена в плазме крови составляет 0,2−0,4%.
Фибриноген может быть осажден из плазмы крови путем полунасыщения хлоридом натрия. Растворы фибриногена обладают высокой вязкостью и сильным двулучепреломлением. На электронных микрофотографиях молекулы выглядят как стержни длиной 47,5 нанометров и диаметром 1,5 нанометров; кроме того, видны два терминальных и центральный узелок. Молекулярный вес составляет 340 000. Необычно высокий процент, около 36%, боковых цепей аминокислот заряжены положительно или отрицательно.
Фибрин в крови (среди эристроцитов)
Процесс свертывания крови инициируется ферментом тромбином, который катализирует разрыв нескольких пептидных связей фибриногена; в результате высвобождаются два небольших фибринопептида с молекулярными массами 1 900 и 2 400. Оставшаяся часть молекулы фибриногена, мономер, растворима и стабильна при значениях pH менее 6 (т.е. в кислых растворах). В нейтральном растворе (pH 7) мономер превращается в более крупную молекулу, нерастворимый фибрин; это происходит в результате образования новых пептидных связей. Вновь образованные пептидные связи образуют межмолекулярные и внутримолекулярные поперечные связи, таким образом, образуется большой сгусток, в котором все молекулы связаны друг с другом. Свертывание крови, которое происходит только в присутствии ионов кальция, может быть предотвращено такими соединениями, как оксалат или цитрат, которые имеют высокое сродство к ионам кальция.
Альбумины, глобулины и другие растворимые белки
Плазма крови, лимфа и другие жидкости животных обычно содержат от одного до семи граммов белка на 100 миллилитров жидкости, которые включают в себя небольшие количества сотен ферментов и большое количество белковых гормонов. Ниже рассматриваются только те белки, которые присутствуют в больших количествах и могут быть легко выделены из жидкостей организма.
Белки сыворотки крови
Сыворотка крови человека содержит около 7% белка, две трети которого находится во фракции альбуминов, а другая треть — во фракции глобулинов. Электрофорез сыворотки крови выявляет большой пик альбумина и три меньших пика глобулинов — альфа-, бета- и гамма-глобулинов. Количество альфа-, бета- и гамма-глобулинов в нормальной человеческой сыворотке составляет примерно 1,5, 1,9 и 1,1 процента соответственно. Каждая фракция глобулинов представляет собой смесь множества различных белков, что было продемонстрировано с помощью иммуноэлектрофореза. В этом методе сыворотке животного (например, кролика), которому ввели человеческую сыворотку, позволяют диффундировать в четыре белковые полосы — альбумин, альфа-, бета- и гамма-глобулин, полученные при электрофорезе человеческой сыворотки. Поскольку животному ранее вводили человеческую сыворотку, в его крови содержатся антитела (вещества, образующиеся в ответ на введение в организм чужеродного вещества) против каждого из белков человеческой сыворотки; каждое антитело соединяется с белком сыворотки (антигеном), который вызвал его образование у животного. В результате образуется около 20 областей нерастворимого осадка антиген-антитело, которые выглядят как белые дуги в прозрачном геле среды для электрофореза. Каждая область соответствует отдельному белку сыворотки крови человека.
Сывороточный альбумин гораздо менее гетерогенен (т.е. содержит меньше отдельных белков), чем глобулины; фактически, это один из немногих сывороточных белков, который можно получить в кристаллической форме. Сывороточный альбумин легко соединяется со многими кислотными красителями (например, красным Конго и метиловым оранжевым), с билирубином, желтым желчным пигментом, и с жирными кислотами. По-видимому, в живых организмах он действует как переносчик определенных биологических веществ. Присутствуя в сыворотке крови в относительно высокой концентрации, сывороточный альбумин также действует как защитный коллоид, белок, стабилизирующий другие белки. Альбумин (молекулярная масса 68 000) имеет одну свободную сульфгидрильную (-SH) группу, которая при окислении образует дисульфидную связь с сульфгидрильной группой другой молекулы сывороточного альбумина, образуя таким образом димер. Изоэлектрическая точка сывороточного альбумина равна pH 4,7.
Альфа-глобулиновая фракция сыворотки крови представляет собой смесь нескольких конъюгированных белков. Наиболее известными являются α-липопротеин (комбинация липида и белка) и два мукопротеина (комбинации углевода и белка). Один мукопротеин называется орозомукоид, или α-кислый гликопротеин; другой называется гаптоглобин, поскольку он специфически соединяется с глобином, белковым компонентом гемоглобина. Гаптоглобин содержит около 20% углеводов. Бета-глобулиновая фракция сыворотки крови содержит, помимо липопротеинов и мукопротеинов, два металлсвязывающих белка, трансферрин и церулоплазмин, которые связывают железо и медь соответственно. Они являются основными переносчиками железа и меди в крови.
Гамма-глобулины — самые неоднородные глобулины. Хотя молекулярная масса большинства из них составляет примерно 150 000, молекулярная масса некоторых, называемых макроглобулинами, достигает 800 000. Поскольку типичные антитела имеют такой же размер и проявляют такое же электрофоретическое поведение, как и γ-глобулины, их называют иммуноглобулинами. Обозначение IgM или гамма M (γM) используется для макроглобулинов; обозначение IgG или гамма G (γG) используется для γ-глобулинов с молекулярной массой 150 000.
Белки молока
Молоко содержит следующие белки: альбумин, α-лактальбумин; глобулин, бета-лактоглобулин; и фосфопротеин, казеин. Если в молоко добавить кислоту, казеин выпадает в осадок. Оставшаяся водянистая жидкость (надосадочный раствор), или сыворотка, содержит α-лактальбумин и β-лактоглобулин. Оба они были получены в кристаллической форме; в бычьем молоке их молекулярный вес составляет приблизительно 14 000 и 18 400, соответственно. Лактоглобулин также встречается в виде димера с молекулярной массой 37 000. Генетические вариации могут привести к небольшим изменениям в аминокислотном составе лактоглобулина. Аминокислотный состав и третичная структура лактальбумина напоминают лизоцим, белок яйца.
Казеин осаждается не только при добавлении кислоты, но и под действием фермента ренина, который содержится в желудочном соке. Реннин из желудка телят используется для осаждения казеина, из которого делают сыр. Молочный жир выпадает в осадок вместе с казеином; молочный сахар, однако, остается в супернатанте (сыворотке). Казеин представляет собой смесь нескольких похожих фосфопротеинов, называемых α-, β-, γ- и κ-казеин, каждый из которых содержит несколько боковых цепей серина в сочетании с фосфорной кислотой. Примерно 75% казеина — это α-казеин. Цистин был обнаружен только в κ-казеине. В молоке казеин образует полимерные глобулы (мицеллы) с радиально расположенными мономерами, каждый из которых имеет молекулярную массу 24 000; кислые боковые цепи находятся преимущественно на поверхности мицеллы, а не внутри.
Яичные белки
Около 50% белков яичного белка составляет овальбумин, который легко получить в кристаллах. Его молекулярная масса составляет 46 000, а аминокислотный состав отличается от состава сывороточного альбумина. Другие белки яичного белка — кональбумин, лизоцим, овоглобулин, овомукоид и авидин. Лизоцим — это фермент, который гидролизует углеводы, содержащиеся в капсулах, которые выделяют вокруг себя некоторые бактерии; это вызывает лизис (распад) бактерий. Молекулярная масса лизоцима составляет 14 100. Его трехмерная структура похожа на структуру α-лактальбумина, который стимулирует образование лактозы под действием фермента лактозосинтетазы. Лизоцим также был обнаружен в моче пациентов, страдающих лейкемией, менингитом и почечными заболеваниями.
Структура овальбумина (яичного альбумина)
Авидин — это гликопротеин, который специфически соединяется с биотином, витамином. У животных, которых кормят большим количеством сырого яичного белка, действие авидина приводит к «повреждению яичного белка». Молекулярная масса авидина, который образует тетрамер, составляет 16 200. Его аминокислотная последовательность известна.
Белки яичного желтка содержат смесь липопротеинов и ливетинов. Последние похожи на сывороточный альбумин, α-глобулин и β-глобулин. Желток также содержит фосфопротеин, фосвитин. Фосвитин, который также был обнаружен в сперме рыб, имеет молекулярную массу 40 000 и необычный аминокислотный состав; одна треть его аминокислот — фосфосерин.
Протамины и гистоны
Протамины содержатся в сперматозоидах рыб. Наиболее тщательно изученными протаминами являются сальмин из спермы лосося и клупеин из спермы сельди. Протамины связаны с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), образуя нуклеопротамины. Аминокислотный состав протаминов прост; они содержат, помимо большого количества аргинина, небольшое количество пяти или шести других аминокислот. Состав молекулы сальмина, например, таков: Arg51, Ala4, Val4, Ile1, Pro7 и Ser6, где цифры подстрочных индексов указывают на количество каждой аминокислоты в молекуле. Из-за высокого содержания аргинина изоэлектрические точки протаминов находятся при значениях pH от 11 до 12,
Гистоны являются менее основными, чем протамины. Они содержат большое количество лизина или аргинина и небольшое количество аспаргиновой и глутаминовой кислот. Гистоны встречаются в сочетании с ДНК в виде нуклеогистонов в ядрах клеток тела животных и растений, но не в сперме животных. Молекулярная масса гистонов варьируется от 10 000 до 22 000. В отличие от протаминов, гистоны содержат большинство из 20 аминокислот, за исключением триптофана и серосодержащих. Как и протамины, препараты гистонов представляют собой гетерогенные смеси. Аминокислотная последовательность некоторых гистонов была определена.
Растительные белки
Растительные белки, в основном глобулины, были получены главным образом из богатых белком семян зерновых и бобовых культур. Небольшое количество альбуминов содержится в семенах. Самые известные глобулины, нерастворимые в воде, могут быть извлечены из семян путем обработки 2−10-процентным раствором хлорида натрия. Многие растительные глобулины были получены в кристаллической форме; к ним относятся эдестин из конопли, молекулярный вес 310 000; амандин из миндаля, 330 000; конканавалин, А (42 000) и В (96 000); и канавалин (113 000) из фасоли.
Они представляют собой полимеры более мелких субъединиц; эдестин, например, является гексамером субъединицы с молекулярной массой 50 000, а конканавалин В — тримером субъединицы с молекулярной массой 30 000. После экстракции липидов из семян злаков эфиром и спиртом, дальнейшая экстракция водой, содержащей от 50 до 80% спирта, дает белки, нерастворимые в воде, но растворимые в смеси воды и этанола и названные проламинами.
Их растворимость в водном этаноле может быть следствием высокого содержания пролина и глутамина. Глиадин, проламин из пшеницы, содержит 14 граммов пролина и 46 граммов глутаминовой кислоты в 100 граммах белка; большая часть глутаминовой кислоты находится в форме глутамина. Общее количество основных аминокислот (аргинин, лизин и гистидин) в глиадине составляет всего 5% от веса глиадина. Поскольку содержание глиадина либо низкое, либо отсутствует, человеческие популяции, зависящие от зерна как единственного источника белка, страдают от дефицита лизина.
Конъюгированные белки
Сочетание белков с простетическими группами
В гликопротеинах, билипротеинах и некоторых гемовых белках связь между молекулой белка и его простетической группой является ковалентной (электронно-обменная связь). В липопротеинах, нуклеопротеинах и некоторых гемовых белках два компонента связаны нековалентными связями; связь возникает в результате тех же сил, которые отвечают за третичную структуру белков: водородные связи, солевые мостики между положительно и отрицательно заряженными группами, дисульфидные связи и взаимное взаимодействие гидрофобных групп. В металлопротеинах (белках с металлическим элементом в качестве простетической группы) ион металла обычно образует центр, к которому привязаны различные группы.
Некоторые из конъюгированных белков были упомянуты в предыдущих разделах, поскольку они встречаются в сыворотке крови, молоке и яйцах; другие обсуждаются ниже в разделах, посвященных дыхательным белкам и ферментам.
Мукопротеины и гликопротеины
Простетические группы в мукопротеинах и гликопротеинах представляют собой олигосахариды (углеводы, состоящие из небольшого числа простых молекул сахара), обычно содержащие от четырех до 12 молекул сахара; наиболее распространенными сахарами являются галактоза, манноза, глюкозамин и галактозамин. Иногда встречаются также ксилоза, фукоза, глюкуроновая кислота, сиаловая кислота и другие простые сахара. Некоторые мукопротеины содержат 20 и более % углеводов, обычно в виде нескольких олигосахаридов, присоединенных к различным частям пептидной цепи. Обозначение мукопротеин используется для белков, содержащих более 3−4% углеводов; если содержание углеводов составляет менее 3%, белок иногда называют гликопротеином или просто белком.
Мукопротеины, вязкие белки, первоначально называемые муцинами, содержатся в слюне, желудочном соке и других выделениях животных. Мукопротеины в большом количестве содержатся в хряще, синовиальной жидкости (смазочная жидкость суставов и сухожилий) и яичном белке. Мукопротеин хряща образуется в результате соединения коллагена с хондроитинсерной кислотой, которая представляет собой полимер глюкуроновой или идуроновой кислоты и ацетилгексозамина или ацетилгалактозамина. Пока неясно, связан ли хондроитинсульфат с коллагеном ковалентными связями.
Липопротеины и протеолипиды
Связь между белком и липидной частью липопротеинов и протеолипидов является нековалентной. Считается, что часть липида заключена в сетчатую структуру пептидных цепей и становится доступной для реакции только после разворачивания цепей под действием денатурирующих агентов. Хотя липопротеины в α- и β-глобулиновой фракции сыворотки крови растворимы в воде (но нерастворимы в органических растворителях), некоторые липопротеины мозга, поскольку они имеют высокое содержание липидов, растворимы в органических растворителях; они называются протеолипидами. β-липопротеин сыворотки крови человека представляет собой макроглобулин с молекулярной массой около 1 300 000, 70% которого составляют липиды; из липидов около 30% приходится на фосфолипиды и 40% - на холестерин и производные от него соединения. Из-за содержания липидов липопротеины имеют самую низкую плотность (масса на единицу объема) среди всех белков и обычно классифицируются как липопротеины низкой и высокой плотности (ЛПНП и ЛПВП).
Цветные липопротеины образуются при сочетании белка с каротиноидами. Крастацианин, пигмент омаров, раков и других ракообразных, содержит астаксантин, который является соединением, полученным из каротина. Среди наиболее интересных цветных липопротеинов — пигменты сетчатки глаза. Они содержат ретиналь, который является соединением, производным каротина и образуется в результате окисления витамина А. В родопсине, красном пигменте сетчатки, альдегидная группа (-CHO) ретиналя образует ковалентную связь с аминогруппой (-NH2) опсина, белкового носителя. Цветовое зрение опосредуется присутствием в сетчатке нескольких зрительных пигментов, которые отличаются от родопсина либо структурой ретиналя, либо структурой белка-переносчика.
Металлопротеины
Белки, в которых ионы тяжелых металлов связаны непосредственно с некоторыми из боковых цепей гистидина, цистеина или другой аминокислоты, называются металлопротеинами. Два металлопротеина, трансферрин и церулоплазмин, встречаются в глобулиновых фракциях сыворотки крови; они действуют как переносчики железа и меди, соответственно. Трансферрин имеет молекулярную массу около 80 000 и состоит из двух одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит один ион железа (Fe3+), который, по-видимому, связан с тирозином. Известно несколько генетических вариантов трансферрина, встречающихся у человека. Другой белок железа, ферритин, который содержит от 20 до 22% железа, является формой, в которой железо хранится у животных; он был получен в кристаллической форме из печени и селезенки. Молекула состоит из 20 субъединиц, ее молекулярный вес составляет приблизительно 480 000. Железо может быть удалено путем восстановления из железистого (Fe3+) в железистое (Fe2+) состояние. Перед включением железа в организм синтезируется белок, не содержащий железа, апоферритин.
Зеленые растения и некоторые фотосинтезирующие и азотфиксирующие бактерии (т.е. бактерии, которые превращают атмосферный азот, N2, в аминокислоты и белки) содержат различные ферредоксины. Это небольшие белки, содержащие от 50 до 100 аминокислот и цепь железа и дисульфидных единиц (FeS2), в которых часть атомов серы приходится на цистеин, а часть — на сульфидные ионы (S2-). Количество единиц FeS2 на молекулу ферредоксина варьирует от пяти в ферредоксине шпината до 10 в ферредоксине некоторых бактерий. Ферредоксины действуют как переносчики электронов при фотосинтезе и фиксации азота.
Церулоплазмин — это медьсодержащий глобулин с молекулярной массой 151 000; молекула состоит из восьми субъединиц, каждая из которых содержит один ион меди. Церулоплазмин является основным переносчиком меди в организмах, хотя медь также может переноситься железосодержащим глобулином трансферрином. Другой медьсодержащий белок, медно-цинковая супероксиддисмутаза (ранее известная как эритрокупреин), была выделена из эритроцитов; она также была обнаружена в печени и в мозге. Молекула, состоящая из двух субъединиц одинакового размера, содержит ионы меди и цинка. Благодаря содержанию меди церулоплазмин и медно-цинковая супероксиддисмутаза обладают каталитической активностью в реакциях окисления-восстановления.
Структура церулоплазмина
Многие ферменты животных содержат ионы цинка, которые обычно связаны с серой цистеина. В почках лошади содержится белок металлотионеин, который содержит цинк и кадмий; оба они связаны с серой. Комплекс ванадий-белок (гемованадин) был обнаружен в удивительно большом количестве в желтовато-зеленых клетках (ванадоцитах) туникатов — морских беспозвоночных.
Гемовые белки и другие хромопротеины
Хотя белки гема содержат железо, они обычно не классифицируются как металлопротеины, поскольку их простетическая группа представляет собой железо-порфириновый комплекс, в котором железо связано очень прочно. Интенсивный красный или коричневый цвет белков гема обусловлен не железом, а порфирином, сложной циклической структурой. Все соединения порфирина интенсивно поглощают свет при длине волны 410 нанометров или близко к ней. Порфирин состоит из четырех пиррольных колец (пятичленных замкнутых структур, содержащих один азот и четыре атома углерода), соединенных между собой метиновыми группами (-CH=). Атом железа удерживается в центре порфиринового кольца за счет взаимодействия с четырьмя атомами азота. Атом железа может соединяться с двумя другими заместителями; в оксигемоглобине одним заместителем является гистидин белкового носителя, другим — молекула кислорода. В некоторых гемовых белках белок также ковалентно связан с боковыми цепями порфирина. Гемовые белки описаны ниже.
Хромопротеин меланин, пигмент, обнаруживаемый в темной коже, темных волосах и меланотических опухолях, встречается во всех основных группах живых организмов и, по-видимому, удивительно разнообразен по своей структуре. У человека меланин, вырабатываемый меланоцитами, может быть темно-коричневым (эумеланин) или бледно-красным или желтоватым (феомеланин). Различные типы синтезируются по разным путям, хотя у них один и тот же начальный этап — окисление тирозина.
Зеленые хромопротеины, называемые билипротеинами, встречаются у многих насекомых, например, кузнечиков, а также в скорлупе яиц многих птиц. Билипротеины образуются из желчного пигмента биливердина, который в свою очередь образуется из порфирина; биливердин содержит четыре пиррольных кольца и три из четырех метиновых групп порфирина. Большое количество билипротеинов было обнаружено в красных и сине-зеленых водорослях; красный белок называется фикоэритрин, синий — фикоцианобилин.
Нуклеопротеины
Когда раствор белка смешивается с раствором нуклеиновой кислоты, фосфорнокислый компонент нуклеиновой кислоты соединяется с положительно заряженными аммониевыми группами (-NH3+) белка, образуя комплекс белок-нуклеиновая кислота. Ядро клетки содержит преимущественно дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), а цитоплазма — преимущественно рибонуклеиновую кислоту (РНК); обе части клетки также содержат белок. Белково-нуклеиновые кислотные комплексы, таким образом, образуются в живых клетках.
Единственными нуклеопротеинами, для которых существуют некоторые доказательства специфичности, являются нуклеопротамины, нуклеогистоны и некоторые РНК- и ДНК-вирусы. Нуклеопротамины — это форма, в которой протамины встречаются в сперматозоидах рыб; гистоны тимуса, проростков гороха и другого растительного материала, очевидно, встречаются преимущественно в виде нуклеогистонов. И нуклеопротамины, и нуклеогистоны содержат только ДНК.
Некоторые из простейших вирусов состоят из специфической РНК, которая покрыта белком. Один из самых известных РНК-вирусов, вирус табачной мозаики (TMV), имеет форму палочки. РНК составляет всего 5,1% от массы вируса. Определена полная последовательность белка вируса, который состоит из 2130 идентичных пептидных цепей, каждая из которых содержит 158 аминокислот. Белок расположен по спирали вокруг сердцевины РНК.
ДНК обнаружена в большинстве бактериальных вирусов (бактериофагов) и в некоторых вирусах животных. Как и в TMV, ядро ДНК окружено белком. Белок фага представляет собой смесь ферментов и поэтому не может рассматриваться как белковая часть только одного нуклеопротеина.
Респираторные белки
Гемоглобин
Гемоглобин является переносчиком кислорода у всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. В оксигемоглобине (HbO2), имеющем ярко-красный цвет, ион железа (Fe2+) связан с четырьмя атомами азота порфирина; два других заместителя — это молекула кислорода и гистидин глобина, белкового компонента гемоглобина. Дезоксигемоглобин (дезокси-Hb), как следует из его названия, представляет собой оксигемоглобин минус кислород (т.е. восстановленный гемоглобин); он имеет фиолетовый цвет. Окисление железистого иона гемоглобина приводит к образованию железистого соединения, метгемоглобина, иногда называемого гемиглобином или ферригемоглобином. Кислород оксигемоглобина может быть вытеснен монооксидом углерода, к которому гемоглобин имеет гораздо большее сродство, что препятствует поступлению кислорода к тканям организма.
Гемоглобины всех млекопитающих, птиц и многих других позвоночных представляют собой тетрамеры из двух α- и двух β-цепей. Молекулярная масса тетрамера составляет 64 500; молекулярная масса α- и β-цепей составляет приблизительно 16 100 каждая, а четыре субъединицы связаны друг с другом нековалентными взаимодействиями. Если удалить гемин (компонент железопорфирина) из глобина (белкового компонента), получатся две молекулы глобина, каждая из которых состоит из одной α- и одной β-цепи; молекулярная масса глобина составляет 32 200. В отличие от гемоглобина, глобин — нестабильный белок, который легко денатурируется. Если нативный глобин инкубировать с раствором гемина при значениях pH от 8 до 9, нативный гемоглобин восстанавливается. Миоглобин, красный пигмент мышц млекопитающих, представляет собой мономер с молекулярной массой 16 000.
Гемоглобины млекопитающих отличаются друг от друга по аминокислотному составу и, следовательно, по вторичной и третичной структуре. Гемоглобины крысы и лошади кристаллизуются очень легко, а гемоглобины человека, крупного рогатого скота и овец, поскольку они более растворимы, кристаллизуются с трудом. Форма кристаллов гемоглобина варьируется у разных видов; кроме того, распад и денатурация происходят с разной скоростью у разных видов. Также было установлено, что кровь новорожденных людей содержит два разных гемоглобина: около 20% их гемоглобина составляет гемоглобин взрослого человека (гемоглобин А) и 80% - гемоглобин плода (гемоглобин F). Гемоглобин F сохраняется в организме младенца в течение первых семи месяцев жизни. Такой же гемоглобин F был обнаружен в крови пациентов, страдающих талассемией — анемией, часто встречающейся в регионах, окружающих Средиземное море. Гемоглобин F содержит, как и гемоглобин А, две α-цепи; две β-цепи, однако, заменены двумя совершенно разными γ-цепями.
Когда в 1949 году метод электрофореза был впервые применен к гемоглобину чернокожих, страдающих серповидноклеточной анемией, был обнаружен новый гемоглобин (гемоглобин S). С тех пор было открыто более 200 различных гемоглобинов человека. Они отличаются от нормального гемоглобина, А аминокислотным составом α- или β-цепи.
Гемоглобины некоторых низших рыб представляют собой мономеры, содержащие один атом железа на молекулу. Гемоглобиноподобные дыхательные белки были обнаружены у некоторых беспозвоночных. Красный гемоглобин насекомых, моллюсков и простейших называется эритрокруорином. Он отличается от гемоглобина позвоночных высокой молекулярной массой.
Хотя зеленые растения не содержат гемоглобина, в корневых узлах бобовых растений был обнаружен красный белок, называемый легемоглобином. По-видимому, он вырабатывается азотфиксирующими бактериями корневых узлов и может участвовать в восстановлении атмосферного азота до аммиака и аминокислот.
Другие дыхательные белки
Зеленый дыхательный белок, хлорокруорин, был обнаружен в крови морских червей родов Serpula и Spirographis. Он имеет такой же высокий молекулярный вес, как и эритрокруорин, но отличается от гемоглобина наличием простетической группы. Красный металлопротеин, гемеритрин, действует как дыхательный белок у морских червей из филума Sipuncula. Молекула состоит из восьми субъединиц с молекулярной массой 13 500 каждая. Гемеритрин не содержит порфиринов и поэтому не является гемовым белком.
Металлопротеин, содержащий медь, является дыхательным белком ракообразных (креветок, крабов
Белковые гормоны
Некоторые гормоны, являющиеся продуктами эндокринных желез, представляют собой белки или пептиды, другие — стероиды. (Происхождение гормонов, их физиологическая роль и способ действия рассматриваются в статье гормоны). Ни один из гормонов не обладает ферментативной активностью. Каждый из них имеет орган-мишень, в котором он вызывает определенное биологическое действие — например, секрецию желудочного или панкреатического сока, выработку молока, производство стероидных гормонов. Механизм, с помощью которого гормоны оказывают свое действие, до конца не изучен. Циклический аденозинмонофосфат участвует в передаче гормонального стимула клеткам, активность которых специфически повышается под действием гормона.
Гормоны щитовидной железы
Тиреоглобулин, активными группами которого являются две молекулы йодсодержащего соединения тироксина, имеет молекулярную массу 670 000. Тиреоглобулин также содержит тироксин с двумя и тремя атомами йода вместо четырех и тирозин с одним и двумя атомами йода. Инъекция этого гормона вызывает усиление метаболизма, а его недостаток приводит к замедлению.
Другой гормон, кальцитонин, который снижает уровень кальция в крови, вырабатывается в щитовидной железе. Аминокислотные последовательности кальцитонина из свиньи, говядины и лосося отличаются от кальцитонина человека некоторыми аминокислотами. Однако все они имеют полуцистин © и пролинамид (Р) в одинаковом положении.
Паратиреоидный гормон (паратгормон), вырабатываемый в маленьких железах, которые встроены в щитовидную железу или находятся позади нее, необходим для поддержания уровня кальция в крови. Снижение его выработки приводит к гипокальциемии (снижению уровня кальция в крови ниже нормы). Бычий паратгормон имеет молекулярную массу 8 500; он не содержит цистина или цистеина и богат аспаргиновой кислотой, глутаминовой кислотой или их амидами.
Гормоны поджелудочной железы
Хотя аминокислотная структура инсулина известна с 1949 года, неоднократные попытки синтезировать его давали очень низкие результаты из-за того, что две пептидные цепи не могли соединиться, образуя правильный дисульфидный мостик. Легкость биосинтеза инсулина объясняется обнаружением в поджелудочной железе проинсулина, из которого образуется инсулин. Единственная пептидная цепь проинсулина при превращении в инсулин теряет пептид, состоящий из 33 аминокислот и называемый соединительным пептидом, или С-пептидом. Дисульфидные мостики проинсулина соединяют цепи, А и В.
В водных растворах инсулин существует преимущественно в виде комплекса из шести субъединиц, каждая из которых содержит цепи, А и В. Инсулины нескольких видов были выделены и проанализированы; было установлено, что их аминокислотные последовательности несколько отличаются, но все они, по-видимому, содержат одинаковые дисульфидные мостики между двумя цепями.
Хотя инъекция инсулина снижает уровень сахара в крови, введение глюкагона, другого гормона поджелудочной железы, повышает уровень сахара в крови. Глюкагон состоит из прямой пептидной цепи из 29 аминокислот. Он был синтезирован; синтетический продукт обладает полной биологической активностью натурального глюкагона. В структуре глюкагона отсутствуют цистин и изолейцин.
Гипофиз имеет переднюю долю, заднюю долю и промежуточную часть; они отличаются по клеточному строению, а также по структуре и действию образуемых ими гормонов. Задняя доля вырабатывает два похожих гормона, окситоцин и вазопрессин. Первый вызывает сокращение беременной матки, второй повышает кровяное давление. Оба гормона являются октапептидами, образованными кольцом из пяти аминокислот (две половинки цистина считаются одной аминокислотой) и боковой цепью из трех аминокислот. Две цистиновые половины соединены друг с другом дисульфидной связью, а С-концевая аминокислота — глицинамид. Структура установлена и подтверждена. Человеческий вазопрессин отличается от окситоцина тем, что изолейцин заменен фенилаланином, а лейцин — аргинином.
Промежуточная часть гипофиза вырабатывает меланоцит-стимулирующий гормон (МСГ), который вызывает увеличение пигментных меланофоров (клеток) в коже лягушек и других батрахов. Два гормона, называемые α-МСГ и β-МСГ, были получены из гипофиза свиней. Первый, α-МСГ, состоит из 13 аминокислот; его N-концевой серин ацетилирован (т.е. присоединена ацетильная группа, CH3CO, уксусной кислоты), а C-концевой остаток валина присутствует в виде валинамида. Второй, β-МСГ, содержит в своих 18 аминокислотах многие из тех, которые встречаются в α-МСГ.
Передняя доля гипофиза вырабатывает несколько белковых гормонов — тиреостимулирующий гормон (тиреотропин), молекулярный вес 28 000; лактогенный гормон, молекулярный вес 22 500; гормон роста, молекулярный вес 21 500; лютеинизирующий гормон, молекулярный вес 30 000; и фолликулостимулирующий гормон, молекулярный вес 29 000. Тиреоидстимулирующий гормон состоит из α и β субъединиц с составом, аналогичным субъединицам лютеинизирующего гормона.
При разделении ни одна из двух субъединиц не обладает гормональной активностью; однако при соединении они восстанавливают около 50% первоначальной активности. Лактогенный гормон (пролактин) из гипофиза овец содержит 190 аминокислот. Их последовательность была выяснена; аналогичная пептидная цепь из 188 аминокислот, которая была синтезирована, обладает не только 10 процентами биологической активности природного гормона, но и некоторой активностью гормона роста. Известна также аминокислотная последовательность гормона роста (соматотропного гормона); похоже, что он стимулирует синтез РНК и таким образом ускоряет рост. Лютеинизирующий гормон, мукопротеин, содержащий около 12% углеводов, состоит из двух субъединиц, каждая из которых имеет молекулярную массу около 15 000; при разделении субъединицы спонтанно рекомбинируют.
Моча беременных женщин содержит хорионический гонадотропин, наличие которого позволяет диагностировать беременность на ранних сроках. Известна аминокислотная последовательность. Последовательность 160 из 190 аминокислот идентична последовательности гормона роста; 100 из них также встречаются в той же последовательности, что и в лактогенном гормоне. Таким образом, различные гормоны гипофиза и хорионический гонадотропин могли произойти от общего вещества, которое в процессе эволюции претерпело дифференциацию.
Пептиды с гормоноподобной активностью
Были обнаружены небольшие пептиды, которые, подобно гормонам, действуют на определенные органы-мишени. Один из пептидов, ангиотензин (ангиотонин или гипертензин), образуется в крови из ангиотензиногена под действием ренина, фермента почек. Он является октапептидом и повышает кровяное давление. К аналогичным пептидам относятся брадикинин, который стимулирует гладкие мышцы; гастрин, который стимулирует секрецию соляной кислоты и пепсина в желудке; секретин, который стимулирует поток панкреатического сока; и калликреин, активность которого аналогична брадикинину.
Иммуноглобулины и антитела
Антитела, белки, которые борются с чужеродными веществами в организме, связаны с глобулиновой фракцией иммунной сыворотки. Как было сказано ранее, когда глобулины сыворотки разделяются на α-, β- и γ-фракции, антитела ассоциируются с γ-глобулинами. Антитела могут быть очищены путем осаждения антигеном (т.е. чужеродным веществом), который вызвал их образование, с последующим отделением комплекса антиген-антитело. Приготовленные таким образом антитела состоят из смеси многих похожих молекул антител, которые различаются по молекулярному весу, аминокислотному составу и другим свойствам. Такие же различия наблюдаются в γ-глобулинах нормальных сывороток крови.
Считается, что γ-глобулин нормальной сыворотки крови состоит из смеси сотен различных γ-глобулинов, каждый из которых встречается в количестве, слишком малом для выделения. Поскольку физические и химические свойства нормальных γ-глобулинов такие же, как у антител, γ-глобулины часто называют иммуноглобулинами. Их можно рассматривать как антитела против неизвестных антигенов. Если растворы γ-глобулинов разделить методом гель-фильтрации через декстран, то первая фракция имеет молекулярную массу 900 000. Эта фракция называется IgM или γM; Ig — это аббревиатура от иммуноглобулина, а M — от макроглобулина. Следующие две фракции — IgA (γA) и IgG (γG) — имеют молекулярную массу около 320 000 и 150 000 соответственно. Два других иммуноглобулина, известные как IgD и IgE, также были обнаружены в гораздо меньших количествах в некоторых иммунных сыворотках.
Основная часть иммуноглобулинов содержится во фракции IgG, которая также содержит большинство антител. Молекулы IgM, по-видимому, являются пентамерами — агрегатами пяти молекул IgG. Электронная микроскопия показывает, что их пять субъединиц связаны друг с другом дисульфидными связями в форме пятиугольника. Молекулы IgA содержатся главным образом в молоке и в секретах слизистой оболочки кишечника. Некоторые из них содержат, помимо димера IgG, «секреторную часть», которая обеспечивает прохождение молекул IgA между тканями и жидкостью; структура секреторной части пока не известна. Иммуноглобулины и антитела IgM и IgA содержат от 10 до 15% углеводов; содержание углеводов в молекулах IgG составляет от 2 до 3%.
Молекулы IgG, обработанные ферментом папаином, расщепляются на три фрагмента с почти одинаковой молекулярной массой 50 000. Два из них, называемые Fab-фрагментами, идентичны; третий сокращенно называется Fc. Восстановление до сульфгидрильных групп некоторых дисульфидных связей IgG приводит к образованию двух тяжелых, или H, цепей (молекулярный вес 55 000) и двух легких, или L, цепей (молекулярный вес 22 000). Они соединены дисульфидными связями в порядке L-H-H-L. Каждая Н-цепь содержит четыре внутрицепочечные дисульфидные связи, а каждая L-цепь — две.
Препараты антител типа IgG, даже после удаления антител IgM и IgA, являются гетерогенными. H и L цепи состоят из большого количества различных L цепей и разнообразных H цепей. Чистые иммуноглобулины IgG, IgM и IgA, однако, встречаются в сыворотке крови пациентов, страдающих миеломной болезнью, которая представляет собой злокачественную опухоль костного мозга. Опухоли продуцируют либо IgG, либо IgM, либо IgA белок, но редко более одного класса. Белок под названием белок Бенс-Джонса, который обнаруживается в моче пациентов, страдающих миеломной опухолью, идентичен L-цепи белка миеломы. У каждого пациента свой белок Бенс-Джонса; из более чем 100 белков Бенс-Джонса, которые были проанализированы на сегодняшний день, нет двух одинаковых. Считается, что одна лимфоидная клетка из сотен тысяч становится злокачественной и быстро размножается, образуя массу миеломной опухоли, которая производит один γ-глобулин.
Анализ белков Бенс-Джонса показал, что L-цепи человека и других млекопитающих имеют два совершенно разных типа — каппа (κ) и лямбда (λ). Оба состоят примерно из 220 аминокислот. N-концевые половины κ- и λ-цепей являются вариабельными, различаясь в каждом белке Бенс-Джонса. С-концевые половины этих же L-цепей имеют постоянную аминокислотную последовательность либо κ-, либо λ-типа. Тот факт, что одна половина пептидной цепи изменчива, а другая неизменна, противоречит мнению, что аминокислотная последовательность каждой пептидной цепи определяется одним геном. Очевидно, два гена, один из которых вариабельный, а другой инвариантный, сливаются, образуя ген для одной пептидной цепи L-цепи. В то время как нормальные L-цепи человека всегда представляют собой смесь κ- и λ-типов, H-цепи IgG, IgM и IgA отличаются друг от друга. Они обозначаются как гамма (γ), мю (μ) и альфа (α) цепи, соответственно. N-концевая четверть H-цепей имеет вариабельную последовательность аминокислот; C-концевые три четверти H-цепей имеют постоянную последовательность аминокислот.
Некоторые аминокислотные последовательности в цепях L и H передаются из поколения в поколение. В результате константная часть L-цепи человека κ-типа имеет в положении 191 либо валин, либо лейцин. Они соответствуют двум аллелям (участкам, определяющим характер) гена; эти два типа называются аллотипами. Валин-содержащий генетический тип обозначается как InV (a+), лейцин-содержащий — как InV (b+). В гамма-цепях иммуноглобулинов IgG человека обнаружено гораздо больше аллотипов, называемых аллотипами Gm; известно более 20 аллотипов Gm. Встречаются определенные комбинации типов Gm. Например, сочетание Gm типов 5, 6 и 11 было обнаружено у кавказцев и афроамериканцев, но не у китайцев; сочетание 1, 2 и 17 не было обнаружено у афроамериканцев; а сочетание 1, 4 и 17 не было обнаружено у кавказцев. Аллотипы также были обнаружены у ряда других животных, включая кроликов и мышей.
Из наличия большого количества аллотипов понятно, что антитела, даже если они вырабатываются в ответ на один антиген, представляют собой смеси различных аллотипов. Существование нескольких классов антител, различных аллотипов и адаптация вариабельных частей антител к различным областям молекулы антигена приводит к множественности молекул антител даже при введении только одного антигена. По этой причине до сих пор не удалось разгадать последовательность аминокислот в вариабельной части молекул антител. Однако большая часть аминокислотной последовательности в константных областях L и H цепей иммуноглобулинов человека и кролика уже разгадана.
