Белки (протеины) — сложные высокомолекулярные природные органические вещества, построенные из аминокислот, соединённых пептидными связями (т.е. белки - это линейные полимеры аминокислот). Последовательность аминокислот в белке определена геном и зашифрована в генетическом коде. Хотя на первый взгляд может показаться, что наличие «всего» 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, на самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки всего из 5 аминокислот оно составляет уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислот (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10130 вариантах. Для выполнения определённой функции зачастую требуется совместное участие нескольких разных белков. Белки часто связываются, формируя стабильные комплексы. Определениe аминокислотной последовательности первого белка, инсулина, методом секвенирования белков принесло Фредерику Сэнгеру Нобелевскую премию в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков - гемоглобина и миоглобина - были разрешены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перутцем и Джоном Кендрю в 1958 году, за что в 1962 они получили Нобелевскую премию по химии.

История изучения

Название «протеин» (синоним «белку») происходит от греч. πρώτα; («прота»), то есть — «главным образом важности». Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результатте работ французского химика Антуана Фуркруа и других учёных, в которых было отмечено свойство белков коагулировать (денатурировать) под воздействием нагревания или кислот. В то время были исследованы такие белки, как альбумин ("яичный белок"), белок из крови, фибрин и глютен из зерна пшеницы . Голландский химик Герхард Мёлдер провёл анализ состава белков и обнаружил, что практически все белки имеют одинаковую эмпирическую формулу. Термин "белок" для обозначения подобных молекул был предложен в 1838 сотрудником Мёлдера Якобом Берцелиусом. Мёлдер также определил продукты разрушения белков - аминокислоты и для одной из них (лейцина) почти точно определил молекулярную массу - 131 Дальтон. Однако центральная роль белков в организмах не была признана до 1926 года, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии — лауреат Нобелевской премии) показал, что фермент уреаза была белком.

Изучению белков препятствовала сложность их выделения. Поэтому первые исследования белков проводились с использованием тех полипептидов, которые могли быть очищены в большом количестве, т.е. белках крови, куриных яиц, различных токсинах и пищеварительных/метаболических ферментах, которые можно было выделить в местах забоя скота. В конце 1950-х компания Армор Хот Дог К (Armour Hot Dog Co) смогла очистить килограмм бычьей панкреатической рибонуклеазы А, которя стала экспериментальным обьектом для многих учёных.

Идея о том, что вторичная структура белков образуется в результате образования водородных связей между аминокислотами была высказана Уильямом Астбури в 1933, но Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Позднее Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая Линдерсторма-Лэнга, внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий. В 1949 Фред Сэнгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки - это линейные полимеры аминокислот, а не их разветвлённые (как у некоторых сахаров) цепи, коллоиды или циклолы. Первые структуры белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне отдельных атомов были получены в 1960-х и с помощью ЯМР в 1980-х. В 2006 Банк Данных о Белках (Protein Data Bank) содержал около 40 000 структур белков. В настоящее время криоэлектронная микроскопия больших белковых комплексов и предсказание малых белков и доменов больших белков с помощью компьютерных программ по точности приближаются к разрешению структур на атомном уровне.

Свойства

Размер белка может измеряться в числе аминокислот или в дальтонах (молекулярная масса), чаще из-за величины молекулы производной единице - килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, в среднем, состоят из 466 аминокислот и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самые большие известные в настоящее время белки, титины, являются компонентом саркомеров мускулов, их молекулярная масса - 3,000 кДа и общая длина 27,000 аа .

Белки также характеризуются изоэлектрической точкой (pI) - кислотностью среды [[рН], при которой молекула данного белка не несёт электрического заряда. Например, чем больше в белке гидроксильных (основных) остатков , тем выше его pI. Такой белок называется основным. Белки, связывающиеся с нуклеиновыми кислотами часто относятся к основным белкам. Примером таких белков служат гистоны.

По степени растворимости в воде белки бывают растворимыми (гидрофильные) и (гидрофобные). К последним относятся большинство входящих в состав биологических мембран интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны

Синтез белков

Химический синтез

Короткие белки могут быть синтезированы химическим путём с помощью группы методов, которые используют органический синтез, например, химическое лигирование. Большинство методов химического синтеза проходят в направлении от С-конца к N-концу, в противоположность биосинтезу. Таким образом можно получить короткий иммунногенный пептид (эпитоп), необходимый для получения антител путём инъекции в животных или получения гибридом. Химический синтез позволяет вводить искусственные т.е. не встречающиеся в обычных белках аминокислоты, например, с присоединять флуоресцентные пробы к боковым цепям аминокислот. Химические методы синтеза неэффективны при длине белков более 300 аминокислот, кроме того, искусственные белки могут иметь неправильную третичную структуру и у аминокислот искусственных белков отсутствуют посттрансляционные модификации.

Биосинтез белков

Белки синтезируются живыми организмами из аминокислот на основе информации, закодированной в генах. Каждый белок состоит из уникальной последовательности аминокислот, которая определяется нуклеотидной последовательностью гена, кодирующего данный белок. Генетический код состоит из трёхбуквенных "слов", называемых кодонами, каждый кодон отвечает за присоединение к белку одной аминокислоты, например, АУГ соответсвует метионину. Поскольку ДНК состоит из четырёх типов нуклеотидов, общее число возможных кодонов равно 64, так как в белках используется 20 аминокислот, многие аминокислоты определяются более, чем одним кодоном. Гены, кодирующие белки сначала транскрибируются в последовательность нуклеотидов матричной РНК (мРНК) белками РНК-полимеразами.

У прокариот мРНК может считываться рибосомами в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции, а у эукариот она транспортируется из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы. Скорость синтеза белков выше у прокариот и может достигать 20 аминокислот в секунду.

Процесс синтеза белка с мРНК называется трансляцией. Во время начальной стадии биосинтеза белков, инициации, обычно метиониновый кодон, узнаётся малой субъединицей рибосомы, к которой при помощи белковых факторов инициации присоединена метиониновая транспортная РНК (тРНК). После узнавания стартового кодона к малой субъединице присоединяется большя субъединица и начинается вторая стадия трансляции - элонгация. При каждом движении рибосомы от 5' к 3' концу мРНК считывается один кодон путём образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мРНК и комплементарным ему антикодоном транспортной РНК, которой присоединена соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализируется рибосомальной РНК рРНК, образующей пептидилтрансферазный центр рибосомы.Р ибосомальная рРНК катализирует образование пептидной связи между последней аминокислотой растущего пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК, позиционируя атомы азота и углерода в положениии, благоприятном для прохождения реакции. Ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяют аминокислоты к их тРНК. Третья и последняя стадия трансляции, терминация, происходит при достижении рибосомой стоп-кодона, после чего белковые факторы терминации гидролизуют последнюю тРНК от белка, прекращая его синтез. Таким образом, белки всегда синтезируются от N- к C- концу.

Функции белков в организме

Так как и другие биологические макромолекулы (полисахариды, липиды) и нуклеиновые кислоты, белки - необходимые компоненты всех живых организмов, и участвуют в каждом внутреннем процессе клетки. Они являются обязательными компонентами в питании человека и животных, так как не все необходимые аминокислоты могут синтезироваться в организме, и должны поступать из еды. Через процесс пищеварения животные разлагают поглощенные белки при помощи ферментов (также белковой природы) на свободные аминокислоты, которые потом можно использовать для синтезирования белков этого организма.

Белки осуществляют обмен веществ и энергетические превращения. Белки входят в состав клеточных структур — органелл или секретируются во внеклеточное пространство.

Каталитическая функция

Наиболее хорошо известная роль белков в организме - катализ различных химических реакций. Ферменты - группа белков, обладающая специфическими каталитическими свойствами, т.е. каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты принимают участие в большинстве реакций переваривания сложных молекул анаболизма и их синтеза катаболизма, а также репликации и репарации ДНК и синтезе РНК. Известно несколько тысяч ферментов, среди них, например, пепсин, расщепляет белки в процессе пищеварения. В процесс пострансляционной модификации некоторые ферменты добавляют или удаляют химические группы на других белках. Известно около 4000 реакций, катализируемых белками. Ускорение реакции в результате ферментативного катализа иногда огромно, например, реакция , катализируемая ферментом оротат-карбоксилазой протекает в 1017 быстрее некатализируемой (78 миллионов лет без фермента, 18 миллисекунд с участием фермента). Молекулы, которые изменяются в результате реакции и присоединяемые ферментом, называются субстратами.

Хотя ферменты обычно состоят из сотен аминокислот, только небольшая часть из них взаимодействуют с субстратом, и еще меньшее количество, в среднем 3-4 аминокислоты, часто расположенные далеко друг от друга в первичной аминокислотной последовательности, напрямую участвуют в катализе[5]. Часть фермента, которые присоединяет субстрат и содержит каталитические аминокислоты, называется активным центром фермента.

Структурная функция

Структурные белки, как своего рода арматура, придают форму жидкому внутреннему содержимому клетки. Большинство структурных белков являются филаментозными белками, например, мономеры актина и тубулина - это глобулярные, растворимые белки, но после полимеризации они формируют длинные нити, из которых состоит цитоскелет , который позволяет клетке поддерживать форму. Коллаген и эластин - основные компоненты соединительной ткани, например, хряща, а из другого структурного белка кератина состоят волосы, ногти, перья и некоторые раковины.

Защитная функция

Белки, входящие в состав крови, участвуют в защитном ответе организма как на повреждение так и от атаки патогенов. Примерами первой группы белков служат фибриногены и тромбины, участвующие в свёртывании крови, а антитела (иммуноглобулины), нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки. Антитела, входящие в состав адаптативной иммунной системы, просоединяются к чужеродным для данного организма веществам, антигенам и тем самым нейтрализуют их, направляя к местам уничтожения. Антитела могут секретироваться в межклеточное пространство или закреплаться в мембранах специализированных В-лимфоцитов, которые называются плазмоцитами. В то время как ферменты имеют ограниченное сродство к субстрату, поскольку слишком сильное присоединение к субстрату может мешать протеканию катализируемой реакции, стойкость присоединения антител к антигену ничем не ограничено.

Регуляторная функция

Многие процессы в организме регулируются небольшими белковыми молекулами, полипептидными гормонами и цитокинами. Примеры этих белков, соответственно, инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови и фактор некроза опухолей, который передаёт сигналы воспаления.

Транспортная функция

Растворимые белки, участвующие в транспорте малых молекул, должны иметь высокое сродство (афинность) к субстрату, когда он присутствует в высокой концентрации и легко его высвобождать в местах низкой концентрации субстрата. Примером транспортных белков служит гемоглобин, который переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким, а также гомологичные ему белки, найденные во всех царствах живых организмов.

Некоторые мембранные белки участвуют в транспорте малых молекул через мембрану клетки, изменяя её проницаемость. Липидный компонент мембраны водонепроницаем (гидрофобен), что предотвращает диффузию полярных или заряженных (ионы) молекул. Мембранные белки содержат внутренние каналы, которые позволяют таким молекулам перемещаться внутрь или наружу. Многие ионные каналы специализируются на транспорте только одного иона, так калийные и натриевые каналы часто различают эти сходные ионы и пропускают только один из них.

Запасная (резервная) функция белковЪ

К таким белкам относятся так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для развития плода; белки яйца (овальбумины) и основной белок молока (казеин) также выполняют, главным образом, питательную функцию. Ряд других белков несомненно используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Рецепторная функция

Белковые рецепторы могут быть как находящимися в растворе, так и встроенными в клеточную мембрану молекулами. Одна часть молекулы рецептора воспринимает сигнал, который с помощью конформационных изменений передаётся на другую часть молекулы, активирующую передачу сигнала на другие клеточные компоненты. У многих рецепторов часть, молекулы, связывающаяся с сигнальной молекулой (рецептор), находится на поверхности клетки, а домен, передающий сигнал (эффектор) внутри.

Моторная и сократительные функции

Целый класс моторных белков, участвует как в макро-движениях организма, например, сокращении мышц (миозин), так и в активном и направленном внутриклеточном транспорте (кинезин, динеин).

Белки в обмене веществ

Большинство микроорганизмов и растений могут синтезировать 20 стандартных аминокислот, а также две дополнительные каталитические аминокислоты - селеноцистеин и селенометионин. Животные должны получить некоторые из этих аминокислот их пищи.

Основные ферменты в биосинтетических путях, например, аспартаткиназа, которая катализирует первый этап в образовании лизина, метионина и треонина из аспартата, отсутствуют у животных. Аминокислоты, которые не могут быть синтезированы этими организмами, называются незаменимыми. Но если аминокислоты есть в окружающей среде, даже микроорганизмы сохраняют энергию путём транспорта аминокислот внутрь клеток и выключения их биосинтетических путей.

Животные получают аминокислоты из белков, содержащихся в пище. Белки разрушаются в процессе пищеварения, который обычно начинается с денатурации белка путём помещения его в кислотную среду и гидролиза с помощью ферментов, называемых протеазами. Некоторые аминокислоты, полученные в результатае пищеварения, используются для синтеза белков организма, а остальные превращаются в глюкозу в процессе глюконеогенеза или используются в цикле Кребса. Использование белка в качестве источника энергии особенно важно в условиях голодания, когда собственные белки организма, в особенности мускулов, служат источником энергии. Аминокислоты также являются важным источником азота в питании организма.