Транспортная функция характерна для
Содержание:
Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных для живых организмов, с некоторыми из которых мы познакомимся более подробно при дальнейшем изучении курса. Ниже рассматриваются главные и в некотором смысле уникальные биологические функции белков, несвойственные или лишь частично присущие другим классам биополимеров.
Каталитическая функция. К 1995 г. было идентифицировано более 3400 ферментов. Большинство известных в настоящее время ферментов, называемых биологическими катализаторами, является белками. Эта функция белков, хотя и не оказалась уникальной, определяет скорость химических реакций в биологических системах.
Транспортная функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.
Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков. Высокая специфичность взаимодействия антител с антигенами (чужеродными веществами) по типу белок-белковое взаимодействие способствует узнаванию и нейтрализации биологического действия антигенов. Защитная функция белков проявляется и в способности ряда белков плазмы крови, в частности фибриногена, к свертыванию. В результате свертывания фибриногена образуется сгусток крови, предохраняющий от потери крови при ранениях.
Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играют актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза).
Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе с липидами (в частности, с фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клеток.
Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. В этой регуляции важное место занимают гормоны, синтезируемые не только в железах внутренней секреции, но и во многих других клетках организма (см. далее). Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.
Питательная (резервная) функция. Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию. Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.
Можно назвать еще некоторые другие жизненно важные функции белков. Это, в частности, экспрессия генетической информации, генерирование и передача нервных импульсов, способность поддерживать онкотическое давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающие физиологическое значение рН внутренней среды, и др.
Таким образом, из этого далеко не полного перечня основных функций белков видно, что указанным биополимерам принадлежит исключительная и разносторонняя роль в живом организме. Если попытаться выделить главное, решающее свойство, которое обеспечивает многогранность биологических функций белков, то следовало бы назвать способность белков строго избирательно, специфически соединяться с широким кругом разнообразных веществ. В частности, эта высокая специфичность белков (сродство) обеспечивает взаимодействие ферментов с субстратами, антител с антигенами, транспортных белков крови с переносимыми молекулами других веществ и т.д. Это взаимодействие основано на принципе биоспецифического узнавания, завершающегося связыванием фермента с соответствующей молекулой субстрата, что содействует протеканию химической реакции. Высокой специфичностью действия наделены также белки, которые участвуют в таких процессах, как дифференцировка и деление клеток, развитие живых организмов, определяя их биологическую индивидуальность.
Ангаотензинсвязывающий белок
Ангаотензинсвязывающий белок, возможно, появляется в крови при патологии и идентичен митохондриальной олигопептидазе М; белок, связывающий адреномедуллин, является фактором Н комплемента; кортиколиберинсвязьшающий белок образует собственное семейство; соматотропин и пролактинсвязывающие белки — протеолитически отщеплённые или модифицированные альтернативным сплайсингом внеклеточные домены соответствующих Рц; белки, связывающие цитокиньї ИЛ-2, ИЛ-6, цилиарный нейротрофический фактор, являются растворимыми СЕ соответствующих Рц, а остеопротегерин — ложным Рц или Рц-манком; утероглобин, простатеин относятся к семейству утероглобинов, или секретоглобинов; фоллистатин и родственные белки составляют собственное семейство.
Большинство транспортных белков, находящихся в крови, синтезируется в печени. Вместе с тем, те же белки могут продуцироваться локально (в частности, в тканях-мишенях соответствующих лигандов).
Функции транспортных белков разнообразны и включают эффекты, как связанные, так и не связанные с их лигандами.
В многочисленных экспериментах с манипулированием уровнем транспортных белков показано, что эти белки способны снижать скорость метаболического клиренса своих лигандов и ингибировать их биологическое действие. Ясно, что данный тормозный эффект должен проявлять себя только в переходных условиях, т.е. при изменениях продукции/деградации сигнальных соединений или самих транспортных белков. В стационарных же условиях системы рецепции и метаболизма сигнальных соединений адаптированы к имеющемуся уровню свободного лиганда. Можно полагать, что переходные условия чаще возникают при резком повышении содержания сигнальных соединений (например, при стрессорной реакции, родах, предовуляторном выбросе эстрогенов). При этом соответствующие транспортные белки становятся фактором амплификации гормонального сигнала в силу ограниченной ёмкости транспортных белков.
Транспортные белки
Транспортные белки (например, тироксинсвязывающий глобулин, транскальциферин, кортиколиберинсвязывающий белок) могут экспрессироваться на уровне, значительно превышающем продукцию соответствующего гормонального лиганда, в результате чего создается значительный «резерв» сигнального соединения (в форме комплексов с транспортным белком), который может быть использован при недостаточном поступлении сигнального соединения. В данной ситуации транспортный белок выполняет буфер-но-резервирующую функцию.
Транспортные белки способны выполнять функцию направленного транспорта сигнальных соединений посредством по меньшей мере двух механизмов:
а) высвобождения лиганда в тканях с усиленной деградацией транспортного белка, происходящей преимущественно благодаря протеолизу, или в условиях изменений конформапии транспортного белка, ведущих к снижению его сродства к лиганду (фосфорилирование, взаимодействие с компонентами внеклеточного матрикса или клеточной поверхностью); примером действия такого механизма может служить аутостимуляция роста опухолей за счёт локального высвобождения ИФР при разрушении их связывающих белков; б) связывания транспортных белков соответствующими Рц на поверхности клеток-мишеней; в результате локальная концентрация сигнального соединения может возрастать; данный механизм, кроме того, может обеспечивать путь поступления сигнальных соединений внутрь клетки в результате интернализации тройного комплекса «лиганд/транспортный белок/Рц транспортного белка» (например, поступление ИФР в ядро пролиферирующих клеток).
Транспортные белки могут выполнять собственные сигнальные функции, а транспортируемые ими лиганды могут играть роль аллостерических регуляторов. Например, сексстероидсвязывающий глобулин, транскортин, тироксинсвязывающий глобулин способны влиять на обменные процессы через собственные Рц, а соответствующие гормональные лиганды могут модулировать эти эффекты (так, сексстероидсвязывающий глобулин, действуя на передний гипоталамус, стимулирует женское половое поведение, а комплекс белка с 5ос-дигидротестостероном — нет).
Белки, связывающие инсулиноподобные факторы роста
В ряде случаев транспортные белки способны взаимодействовать с другими внеклеточными белками и оказывать влияние на их активность. Так, значительная часть транстиретина крови находится в комплексе с другим транспортным белком — ретинолсвязывающим белком, что обеспечивает предотвращение клубочковой фильтрации и экскрецию последнего.
В качестве иллюстрации структуры и функций транспортных белков далее рассмотрено семейство белков, связывающих инсулиноподобные факторы роста (ИФР), и родственных им белков.
Надсемейство белков, связывающих инсулиноподобные факторы роста (ИФРСБ, IGFBPs), включает 6 ИФРСБ (ИФРСБ- 1-ИФРСБ-6), обладающих высоким сродством (Kd
0,1 нМ) к инсулиноподобным факторам роста (ИФР-І и ИФР-П), и 9 белков, родственных ИФРСБ (ИФРСБ-рБ1-ИФРСБ-рБ9, IGFBP-rPl-IGFBP-rP9), обладающих низким сродством (Kd >10 нМ) к ИФР. Для белков надсемейства характерно высокое содержание консервативных остатков цистеина, которые в ИФРСБ локализованы в N- и С-концевых доменах, разделенных вариабельной областью. В ИФРСБ-рБ N-концевой домен сходен с таковым в ИФРСБ, а другие области молекулы имеют существенные отличия. Предполагается, что остатки цистеина N- и С-концевых доменов ИФРСБ за счёт образования внутридоменных дисульфидных связей формируют строго упорядоченную глобулярную структуру белка. Средний домен большинства ИФРСБ гликозилирован (возможная функция — придание устойчивости к протеолизу), может быть фосфорилирован по остаткам серина (возможные функции — модуляция взаимодействия с кислотолабильной СЕ ИФРСБ и клеточной поверхностью) и служит шарниром между N- и С-концевыми доменами. С-концевой домен (вместе с N-концевым доменом) участвует в формировании кармана для связывания ИФР, а также обеспечивает взаимодействие ИФРСБ с другими молекулами. Такими молекулами могут быть кислотолабильная СЕ ИФРСБ (для ИФРСБ-3 и ИФРСБ-5); интегрины, обеспечивающие связь с внеклеточным матриксом (для ИФРСБ-1 и ИФРСБ-2); протеогликаны клеточной поверхности и внеклеточного матрикса (для ИФРСБ-3, 5 и 6); белки, обеспечивающие транслокацию в ядро активно пролиферирующих клеток (для ИФРСБ-3 и ИФРСБ-5).
Доменная организация белков
Активность ИФРСБ может регулироваться их протеолизом, фосфорилированием, взаимодействием с поверхностью клеток или внеклеточным матриксом. Так, связывание ИФР с ИФРСБ-4 повышает доступность ИФРСБ-4 для протеазы. Фосфорилирование ИФРСБ при их биосинтезе в некоторых тканях также может влиять на их активность: сродство фосфорилированного ИФРСБ-1 к ИФР в 6 раз выше, чем сродство нефосфорилированного белка. Связывание некоторых ИФРСБ (конкретно, ИФРСБ-3 и ИФРСБ-5) с клеточной поверхностью или с внеклеточным матриксом многократно снижает их сродство к ИФР.
Экспрессия ИФРСБ осуществляется многими тканями и находится под контролем множества гормональных и паракринных факторов, набор которых для конкретной ткани может быть индивидуальным.
В крови преобладающая часть ИФР (-75%) находится в виде крупных (-150-200 кДа) комплексов, включающих ИФРСБ-3 и кислото-лабильную СЕ ИФРСБ. Такой комплекс не способен проходить через эндотелиальный барьер, что обеспечивает создание резервуара ИФР с длительным периодом полужизни (15—20 ч). Приблизительно 20-25% ИФР находится в виде менее крупных (-40-50 кДа) комплексов с другими ИФРСБ, и такие комплексы способны проходить через эндотелий сосудов и формируют пул биологически доступного для тканей ИФР (период полужизни -30 мин). Свободный ИФР составляет менее 1% от его общего содержания в крови (период полужизни -10 мин). Соответственно, нокаут гена als кислотолабиль-ной СЕ ИФРСБ у мыши приводит к снижению уровня ИФР в крови на 80%. Комплексы ИФР с различными ИФРСБ обнаруживаются во многих других биологических жидкостях, причём соотношение разных ИФРСБ в данной жидкости может существенно отличаться от наблюдаемого в крови. Например, в амниотической жидкости преобладает ИФРСБ-1, в цереброспинальной жидкости — ИФРСБ-2 и ИФРСБ-6, в матриксе кости — ИФРСБ-5.
Только белки осуществляют перенос веществ в крови, например, липопротеины(перенос жира), гемоглобин(транспорт кислорода), трансферрин(транспорт железа). Белки транспортируют в крови катионы кальция, магния, железа, меди и другие ионы.
Транспорт веществ через мембраны осуществляют белки – Na + ,К + -АТФаза (антинаправленный трансмембранный перенос ионов натрия и калия), Са 2+ -АТФаза (выкачивание ионов кальция из клетки), глюкозные транспортеры.
Резервная функция
В качестве примера депонированного белка можно привести производство и накопление в яйцеяичного альбумина.
У животных и человека таких специализированных депо нет, но при длительном голодании используются белки мышц, лимфоидных органов, эпителиальных тканейи печени.
Сократительная функция
Существует ряд внутриклеточных белков, предназначенных для изменения формы клетки и движения самой клетки или ее органелл (тубулин, актин, миозин).
Защитная функция
Защитную функцию, предупреждая инфекционный процесс и сохраняя устойчивость организма, выполняют иммуноглобулины крови, факторы системы комплемента, пропердин, при повреждении тканей работают белки свертывающей системы крови – например, фибриноген, протромбин, антигемофильный глобулин. Механическуюзащиту и поддержку клеток осуществляют протеогликаны.
К данной функции также можно отнести поддержание постоянства коллоидно-осмотического давления крови, интерстиция и внутриклеточных пространств, а также иные функции белков крови.
Белковая буферная система участвует в регуляции кислотно-щелочного состояния.
Как формируется молекула белка?
Белок – это последовательность аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями.
Легко представить, что количество аминокислот может быть различно: от минимум двух до любых разумных величин. Биохимики условились считать, что если количество аминокислот не превышает 10, то такое соединение называется пептид; если от 10 до 40 аминокислот –полипептид, если более 40 аминокислот – белок.
Линейная молекула белка, образующаяся при соединении аминокислот в цепь, являетсяпервичной структурой. Образно ее можно сравнить с обычной нитью на которую навешено до нескольких сотен бусинок двадцати различных цветов (по числу аминокислот).
Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет дальнейшее поведение молекулы: ее способность изгибаться, сворачиваться, формировать те или иные связи внутри себя. Формы молекулы, создаваемые при свертывании, последовательно могут принимать вторичный, третичный и четвертичный уровеньорганизации.
Схематичное представление последовательности
укладки белков в четвертичную структуру
На уровне вторичной структуры белковые "бусы" способны укладываться в виде спирали(подобно дверной пружине) и в виде складчатого слоя, когда "бусы" уложены змейкой и удаленные части бус оказываются рядом.
Укладка белка во вторичную структуру плавно переходит к формированию третичной структуры. Это отдельные глобулы, в которых белок уложен компактно, в виде трехмерного клубка.
Некоторые белковые глобулы существуют и выполняют свою функцию не поодиночке, а группами по две, три и более штук. Такие группы называются четвертичной структурой белка.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Комментарии