До сих пор мы говорили об участии отдельных белков в репликации так, как будто бы они работают независимо друг от друга. Между тем в действительности большая часть этих белков объединена в крупный комплекс, который быстро движется вдоль ДНК и согласованно осуществляет процесс репликации с высокой точностью. Этот комплекс сравнивают с крошечной "швейной машиной" : "деталями" его служат отдельные белки, а источником энергии - реакция гидролиза нуклеозидтрифос фатов. Спираль расплетается ДНК-хеликазой; этому процессу помогают ДНК- топоизомераза, раскручивающая цепи ДНК, и множество молекул дестабилизирующего белка, связывающихся с обеими одиночными цепями ДНК. В области вилки действуют две ДНК-полимеразы - на ведущей и отстающей цепи. На ведущей цепи ДНК-полимераза работает непрерывно, а на отстающей фермент время от времени прерывает и вновь возобновляет свою работу, используя короткие РНК-затравки, синтезируемые ДНК-праймазой. Молекула ДНК-праймазы непосредственно связана с ДНК-хеликазой, образуя структуру, называемую праймосомой. Праймосома движется в направлении раскрывания репликационной вилки и по ходу движения синтезирует РНК-затравку для фрагментов Оказаки. В этом же направлении движется ДНК-полимераза ведущей цепи и, хотя на первый взгляд это трудно представить, ДНК-полимераза отстающей цепи. Для этого, как полагают, последня накладывает цепь ДНК, которая служит ей матрицей, саму на себя, что и обеспечивает разворот ДНК-полимеразы отстающей цепи на 180 градусов. Согласованное движение двух ДНК-полимераз обеспечивает координированную репликацию обеих нитей. Таким образом, в репликационной вилке одновременно работают около двадцати разных белков (из которых мы назвали только часть), осуществляя сложный, высокоупорядоченный и энергоемкий процесс.

Согласованность процессов репликации ДНК и клоеточного деления

Эукариотическая клетка перед каждым делением должна синтезировать копии всех своих хромосом. Репликация ДНК эукариотической хромосомы осуществляется посредством разделени хромосомы на множество отдельных репликонов. Такие репликоны активируются не все одновременно, однако клеточному делению должна предшествовать обязательная однократная репликация каждого из них. Из сказанного ясно, что по хромосоме эукариот в каждый момент времени может двигаться независимо друг от друга множество репликационных вилок. Остановка продвижения вилки происходит только при столкновении с другой вилкой, движущейся в противоположном направлении, или по достижении конца хромосомы. В результате вся ДНК хромосо мы в короткий срок оказывается реплицированной. После сборки на молекуле ДНК хромосомных белков каждая пара хромосом в процессе митоза упорядоченно разделяется по дочерним клеткам.

Выводы

Процесс репликации ДНК согласован с клеточным делением и требуетсовместного действия многих белков. В нем участвуют:

1. ДНК-хеликаза и дестабилизирующие белки; они расплетают двойную спираль родительской ДНК и формируют репликационную вилку.

2. ДНК-полимеразы, которые катализируют синтез полинуклеотидной цепи ДНК в направлении 3"-5, копируя в репликационной вилке матрицу с высокой степенью точности. Поскольку две цепи двойной спирали ДНК антипараллельны, в направлении 5"-3" непрерывно синтезируется лишь одна из двух цепей, ведущая; другая цепь, отстающа, синтезируется в виде коротких фрагментов Оказаки. ДНК-полимераза способна к исправлению собственных ошибок, но не может самостоятельно начать синтез новой цепи.

3. ДНК-праймаза, которая катализирует короткие молекулы РНК-затравки. Впоследствии фрагменты РНК удаляются - их заменяет ДНК.

4.Теломераза, заканчивающая построение недорепликацированых 3"-концов линейных молекул ДНК.

5. ДНК-топоизомеразы, помогающие решить проблемы кручения и спутывания спирали ДНК.

6. Инициаторные белки, связывающиеся в точке начала репликации и способствующие образованию нового репликационного глазка с одной или двумя вилками. В каждой из вилок вслед за инициаторными белками к расплетенной ДНК сначала присоединяется белковый комплекс, состоящий из ДНК-хеликазы и ДНК-праймазы (праймосома).

Затем к праймосоме добавляются другие белки и возникает "репликационная машина", которая и осуществляет синтез ДНК.

Литература

1. О. О. Фаворова. Сохранение ДНК в ряду популяций: репликация ДНК. Соросовский образовательный журнал, 1996 г.

2. Г.М. Дымшиц. Проблема раепликации концов линейных молекул и теломераза. Соросовский образовательный журнал, 2000 г.

Несмотря на сложное устройство живых организмов на нашей планете, структурных единиц всего три – это белки, жиры и углеводы. Каждый из них выполняет свою роль и по-своему важен. Но именно белки отвечают за нашу индивидуальность. Их набор сложен и никогда не повторяется.

Чем объясняется многообразие функций белков

Белки – это полипептиды, состоящие из альфа-аминокислот, которые соединены пептидной связью. На сегодняшний день открыто порядка 500 аминокислот, 10 из них незаменимые, то есть должны поступать с пищей. Особый состав белков заложен в генетическом коде. Его синтез происходит при помощи 20 стандартных аминокислот.

Многообразие функций белков

Биология человека такова, что белок может состоять всего из 20 аминокислот. Но не стоит забывать, что помимо различной последовательности аминокислотных остатков, образуются и пространственные изоформы, которые также кодируются генетически. Такое строение обуславливает разнообразие биологических видов.

Выделяют несколько уровней организации белка:

• первичная – это последовательность аминокислот;
• вторичная – образование спиралей из цепочки при помощи водородных связей;
• третичная – пространственная форма спирали, на этом этапе белок имеет собственную форму;
• четвертичная – доменная, при которой несколько третичных структур (доменов) соединяются в макроструктуру.

Обратите внимание! В зависимости от последовательности аминокислотных остатков и их пространственной конфигурации меняются свойства и функции белка.

Функции белков

Эти вещества можно сравнить с биологическими кирпичиками, потому что они участвуют в постройке всех структур организма. А так как все органы выполняют разные функции, то и функции белков разнообразны. Сложно сказать, какую функцию в клетке не выполняет белок.

Строительная функция

Строительная функция

Главная функция белка – пластическая, или строительная. Заключается она в том, что вещества участвуют в построении клеточных и неклеточных структур. По принципу работы напоминают арматурные прутья, т. к. отвечают за поддержание формы клетки или её изменения. Поэтому они называются структурными и являются основным классом белков. Например, в животной клетке цитоскелет состоит из белков. Также в качестве примера можно взять коллаген, который составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани. Или кератин, из которого состоят волосы и ногти. Но самый известный структурный белок – это альбумин, в большом количестве он содержится в курином яйце и становится особенно заметен при жарке.

Двигательная или сократительная, функция

С помощью особых белков даже самые мелкие микроорганизмы могут передвигаться в пространстве. Например, реснички и жгутики одноклеточных состоят из белка флагеллина. При его сокращении жгутики совершают поступательные движения. Если объяснять кратко, то у многоклеточных организмов за мышечное сокращение отвечают актин и миозин. Для избирательного сокращения миоволокна миозин находится в активной форме не всегда, а лишь после воздействия киназы лёгких цепей миозина. После этого миозин фосфорилируется и взаимодействует с актином, образуя мышечное сокращение.

Важно! Кардиомиоциты работают по такому же принципу, благодаря этому сердце выполняет свою функцию.

Регуляторная и сигнальная функции

Регуляторная и сигнальная функции

Белки отвечают за регуляцию внутриклеточных процессов. Связано это с их способностью не только принимать поток информации, но и передавать следующим структурам. К регуляторным веществам относят:

• рецепторы;
• гормоны;
• белки, напрямую отвечающие за процессы внутри клеток.

Как правило, гормоны образуются железами внутренней секреции и циркулируют в крови. Затем они присоединяются к рецепторам. Специфическое строение этих функциональных единиц позволяет гормонам безошибочно присоединиться к нужному рецептору. Последние находятся в толще билипидного слоя клеточной мембраны, поэтому их ещё называют мембранными. После присоединения гормона рецептор меняет свою конформацию, и запускает каскад внутриклеточных реакций.

Обратите внимание! Очень часто сигнальную и регуляторную функции белков объединяют и отождествляют, потому что с физиологической точки зрения при передаче сигнала всегда изменяется внутренняя регуляция клеток. А значит невозможно провести чёткую линию между этими функциями.

Запасающая функция

Самая спорная функция – это запасающая. Для организма выгоднее сначала переварить углеводы, потом жиры, а затем белки. Последние требуют больших затрат энергии при переваривании, а энергии дают намного меньше, чем углеводы или жиры. Поэтому организм начинает переваривать белковые соединения только в самую последнюю очередь при отсутствии иных энергетических запасов. Некоторые учёные утверждают, что при переваривании белков энергии затрачивается столько же, сколько они в итоге выделяют, но точно установить так ли это не представляется возможным. Поэтому вопрос о запасающей функции остаётся открытым. Однако, белковые соединения могут выступать в качестве резервуара аминокислот, которые затем идут на построение других веществ, регулирующих метаболические пути. В этом их резервная функция.

Защитная функция

Защитная функция

Эту функцию можно разделить на несколько типов:

• иммунная;
• химическая;
• активная.

Иммунная система состоит практически полностью из белковых соединений. Это и антитела, которые атакуют заражённую клетку, а также интерфероны, участвующие в противовирусном иммунитете и белки компонента комплимента, без которых ни одна иммунная реакция не знала бы, в какой момент стоит начинаться и что атаковать. Также белки осуществляют основное звено иммунитета – образование мембраноатакующего комплекса, чтобы осуществить презентацию АГ следующим иммунным клеткам.

Химическая защитная функция проявляется в способности белков связываться с токсинами и нейтрализовать их. Особое место занимают ферменты печени, которые способствуют быстрому выведению опасных веществ из организма.

Обратите внимание! Многие бактерии и животные имеют ядовитый белковый секрет. Например, яд змеи, ботулотоксин или токсины холерного вибриона. Растения обычно не обладают белковыми ядами, но есть исключения – клещевина в своих семенах содержит рицин.

Функция дестабилизирующих белков

При размножении клеток необходимо копирование наследственного материала, находящегося в ДНК. При этом происходит процесс репликации ДНК, то есть, образование дочерней цепи на матричной. Перед этим нужно расплести двойную цепь. Помогают такому процессу дестабилизирующие белковые соединения. Кроме этого, присоединяясь к одноцепочечному фрагменту, они не позволяют закрывать основания цепи. Поэтому процесс репликации не останавливается.

Функция гистоновых белков

Не самая большая, но очень важная группа белков – это гистоны. Их функции напоминают шарниры при упаковке генетического материала. Дело в том, что длина цепочки ДНК очень большая, потому что в ней содержится вся информация о признаках, которые развились или могли развиться. Чтобы вся информация поместилась в ядро каждой клетки, её необходимо правильно упаковать. Упаковка ДНК на белковые «шарниры» образует нуклеосому.

После этого укладывать образовавшиеся пружины проще. Нуклеосомы закручиваются относительно друг друга с образованием фибриллы. Нитевидная фибрилла крепится на белковый тяж с образованием большого количества дезоксирибонуклеиновых петель (ДНП). Белковый тяж также образует петли, которые образуют хромонему. Последняя в свою очередь укладывается с образованием хромосомы.

Буферная функция

Буферная функция проявляется в способности некоторых белковых соединений поддерживать pH среду. Типичный пример – белки плазмы крови. Совокупность таких веществ образует буферные системы крови, которые поддерживают среду на уровне pH = 7,4. Почти 80% всех буферных веществ в крови – это глобулины и альбумины.

Гормональная функция

Гормональная функция

Гормоны напрямую регулируют обмен веществ. Они выделяются железами внутренней секреции в кровь, где они находят мишень в виде рецептора и присоединяются к нему. Не все гормоны являются белковыми субъединицами, но многие. Рассмотрим их действие на примере всем известного гормона инсулина, который выделяется бета-клетками островков поджелудочной железы.

По строению гормон инсулин представляет собой полипептид, состоящий из двух полипептидных цепочек, соединённых дисульфидными мостиками (связь между двумя атомами серы). Инсулин присоединяется к рецептору, который представляет из себя соединённые дисульфидными связями две альфа- и две бета-субъединицы. При присоединении к рецептору он меняет свою конформацию. Комплекс инсулин-рецептор проникает внутрь клетки, где инсулин высвобождается и образуется специальный переносчик – GLUT4. Последний отвечает за захват жировой тканью, мышцами и печенью. К слову, этиология сахарного диабета 2-го типа связана именно со снижением чувствительности рецептора к инсулину.

Белки – это универсальный строительный материал. Сложно точно сказать, каковы роли белков в организме. Ведь работа практически всех систем организма зависит от этих веществ, а значит, выбрать три функции, характерные только для белков, невозможно. Поэтому необходимо поддерживать нормальный уровень этих веществ с помощью полноценного питания.

Белки являются строительным материалом организма и участвуют в процессе метаболизма. Функции белков в организме имеют огромное значение для поддержания жизнедеятельности.

Строение

Белки - биополимеры, состоящие из отдельных звеньев - мономеров, которые называются аминокислотами. Они состоят из карбоксильной (-СООН), аминной (-NH2) группы и радикала. Аминокислоты связываются между собой с помощью пептидной связи (-C(O)NH-), образуя длинную цепочку.

Обязательные химические элементы аминокислот:

• углерод;
• водород;
• азот;
• кислород.

Рис. 1. Строение белка.

Радикал может включать серу и другие элементы. Отличаются белки не только радикалом, но и количеством карбоксильной и аминной групп. В связи с этим выделяют три типа аминокислот:

• нейтральные (-СООН и -NH2);
• основные (-СООН и несколько -NH2);
• кислые (несколько -СООН и -NH2).

В соответствии с возможностью синтезироваться внутри организма выделяют два вида аминокислот:

ТОП-2 статьи которые читают вместе с этой

• заменимые - синтезируются в организме;
• незаменимые - не синтезируются в организме и должны поступать из внешней среды.

Известно около 200 аминокислот. Однако в построении белков участвуют только 20.

Синтез

Биосинтез белков происходит на рибосомах эндоплазматической сети. Это сложный процесс, состоящий из двух стадий:

• образование полипептидной цепи;
• модификация белка.

Синтез полипептидной сети происходит с помощью матричной и транспортной РНК. Этот процесс называется трансляцией. Вторая стадия включает «работу над ошибками». Части синтезированного белка заменяются, удаляются или удлиняются.

Рис. 2. Синтез белка.

Функции

Биологические функции белков представлены в таблице.

Белки могут оказывать отравляющее и обезвреживающее действие. Например, палочка ботулизма выделяет токсин белкового происхождения, а белок альбумин связывает тяжёлые металлы.

Ферменты

Стоит сказать кратко о каталитической функции белков. Ферменты или энзимы выделяют в особую группу белков. Они осуществляют катализ - ускорение протекания химической реакции.
В соответствии со строением ферменты могут быть:

• простыми - содержат только аминокислотные остатки;
• сложными - помимо белкового мономерного остатка включают небелковые структуры, которые называются кофактором (витамины, катионы, анионы).

Молекулы ферментов имеют активную часть (активный центр), связывающую белок с веществом - субстратом. Каждый фермент «узнаёт» определённый субстрат и связывается именно с ним. Активный центр обычно представляет собой «карман», в который попадает субстрат.

Связывание активного центра и субстрата описывается моделью индуцированного соответствия (модель «рука-перчатка»). Модель показывает, что фермент «подстраивается» под субстрат. Благодаря изменению структуры снижаются энергия и сопротивление субстрата, что помогает ферменту легче перенести его на продукт.

Рис. 3. Модель «рука-перчатка».

Активность ферментов зависит от нескольких факторов:

• температуры;
• концентрации фермента и субстрата;
• кислотности.

Различают 6 классов ферментов, каждый из которых взаимодействует с определёнными веществами. Например, трансферазы переносят фосфатную группу от одного вещества к другому.

Ферменты могут ускорять реакцию в 1000 раз.

Что мы узнали?

Выяснили, какие функции выполняют белки в клетке, как они устроены и как синтезируются. Белки представляют собой полимерные цепочки, состоящие из аминокислот. Всего известно 200 аминокислот, но белки могут образовывать только 20. Белковые полимеры синтезируются на рибосомах. Белки выполняют важные функции в организме: переносят вещества, ускоряют биохимические реакции, контролируют процессы, происходящие в организме. Ферменты связывают субстрат и целенаправленно переносят его на вещества, ускоряя реакции в 100-1000 раз.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 367.

Специфичность первичной структуры белка. Особенности образования пептидной связи. Определяющая роль первичной структуры в формировании более высоких уровней организации белковой молекулы.

Первичная структура белка.

Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты.

Если в образовании пептидной связи участвует иминогруппа пролина или гидроксипролина, то она имеет другой вид.

При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой. Примерно так же проводят лабораторный синтез полипептидов.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи:

Копланарность - все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости;

Способность существовать в двух резонансных формах (кето- или енольной форме);

Транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи;

Способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными.

Исключение составляют пептидные группы с участием аминогруппы пролина или гидроксипролина. Они способны образовывать только одну водородную связь (см. выше). Это сказывается на формировании вторичной структуры белка. Полипептидная цепь на участке, где находится пролин или гидроксипролин, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью.

4.Вторичная структура белка . Связи, стабилизирующие вторичную структуру, α-спираль. Факторы, нарушающие спирализацию. β-складчатая структура, особенности конформационного строения.

Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, т.е. способ укладки полипептидной цепи в определенную конформацию.

Процесс этот протекает не беспорядочно, а в соответствии с первичной структурой белка.

Вторичная структура поддерживается в основном водородными связями, хотя для некоторых белков определенный вклад вносят пептидные и дисульфидные ковалентные связи.

Наиболее вероятным типом вторичной структуры глобулярных белков является -спираль. Закручивание полипептидной цепи в спираль происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации. Так, полипептидные цепи гемоглобина спирализованы на 75%, а молекула пепсина - на 30%.

Тип конфигурации полипептидных цепей, когда сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя структуру, подобную листу, сложенному в гармошку, называется -структурой. Такой тип вторичной структуры обнаружен в белках мышц, волос, шелка. -Слой может быть внутримолекулярным, а также образованным двумя или более полипептидными цепями.

Способность к образованию водородных связей, являющихся движущей силой при возникновении α- и β-структур в белковой молекуле, выражена у разных аминокислот в неодинаковой степени. Выделяют группу спиралеобразующих аминокислот: ала, глн, глу, лей, мет, лиз, гис. Вал, иле, тир, тре, фен способствуют образованию -структур полипептидной цепи. Наличие сер, гли, про, асн, асп приводит к преимущественному образованию неупорядоченных фрагментов в белковой молекуле.

В природе существуют белки, строение которых не соответствует ни

β-, ни -структуре (коллаген).

5.Третичная структура белка. Связи, стабилизирующие третичную структуру (ковалентные, ионные, гидрофобные, водородные, Ван-дер-Ваальса).

Третичная структура белка – пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Первый белок, Третичная структура белка (миоглобин кашалота) впервые была установлена методом рентгеноструктурного анализа (рис. 2).

В стабилизации пространственной структуры белков, помимо ковалентных связей, основная роль принадлежит нековалентным связям (межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи, электростатические взаимодействия ионизированных групп, гидрофобные взаимодействия и т.д.).

Методом рентгеноструктурного анализа установлено существование специфических уровней структурной организации белковой молекулы, промежуточных между вторичной и третичной структурами. Домен - это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи (рис. 3). Открыты белки (в частности, иммуноглобулины), в которых существуют различные по структуре и функциям домены.

Согласно современным представлениям, белка после окончания синтеза белка его третичная структура формируется самопроизвольно. Процесс формирования нативной пространственной структуры полипептидной цепи - фолдинг. Основной движущей силой фолдинга является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом гидрофобные радикалы аминокислот ориентируются внутрь белковой молекулы, а гидрофильные радикалы повернуты в сторону воды.

В клетках существуют белки, названные шаперонами. Их основная функция - участие в фолдинге (рис. 4). Описан ряд заболеваний человека, имеющих наследственную природу, возникновение которых связывают с нарушением процесса фолдинга вследствие мутаций (пигментозы, фиброзы и др.).

Все биологические свойства белков связаны с образованием и сохранностью третичной структуры, называемой нативной. Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: возможны обратимые перемещения фрагментов полипептидной цепи. Эти изменения не приводят к нарушению общей конформации молекулы. Факторы, влияющие на конформацию белковой молекулы - ионная сила раствора, рН среды, взаимодействие с компонентами раствора. Любые воздействия, приводящие к нарушению нативной структуры молекулы, приводят к частичной или полной утрате белком его биологических свойств.

6.Четвертичная структура белка. Понятие о мономерах и олигомерах. Зависимость свойств белка от его конформации. Взаимосвязь структуры и функции.

Четвертичная структура белка - укладка отдельных полипептидных цепей, обладающих специфической первичной, вторичной или третичной структурой, в пространстве, и формирование единого макромолекулярного образования.

Белок, состоящий из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером, а каждую входящую в него полипептидную цепь - протомером. Олигомерные белки, как правило, состоят из четного числа псубъединиц, например, молекула гемоглобина построена из двух - и двух -полипептидных цепей (рис. 5).

Четвертичную структуру имеют около 5% белков, такие как ферритин, иммуноглобулины. Субъединичное строение свойственно многим ферментам, в первую очередь тем, которые выполняют сложные функции. Почти все ДНК- и РНК-полимеразы имеют четвертичную структуру. Полипептидные цепи, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности. Только после завершения синтеза происходит их объединение в надмолекулярную структуру. Биологическую активность белок приобретает на уровне четвертичной структуры. Стабилизация четвертичной структуры происходит при участии тех же связей, что и при формировании третичной структуры, за исключением ковалентных связей.

Ряд исследователей признают наличие пятого уровня структурной организации белков. Полифункциональные макромолекулярные комплексы разных ферментов, катализирующие весь путь превращений субстрата, получили назвение метаболонов (пируватдегидрогеназный комплекс, синтетазы ВЖК, дыхательная цепь).

Белок, выполняющий специфическую функцию в метаболизме клетки, может быть представлен несколькими формами - изофункциональными белками, или изобелками. В эритроцитах крови человека обнаружено несколько форм гемоглобина: У взрослого человека преобладающей формой является НbА. Ч Для эмбриональной стадии развития человека характерен фетальный гемоглобин HbF. Все формы гемоглобинов выполняют функцию переноса кислорода из легких в ткани, однако свойства разных гемоглобинов отличаются.

Понятие нативный белок. Понятие об аллостерических белках.

Нативный белок - белок, обладающий определенной биологической активностью.

8.Основные функции простых и сложных белков в организме: структурная, каталитическая, рецепторная, регуляторная, транспортная, защитная, сократительная и другие.

Структурная функция. В комплексе с липидами белки участвуют в образовании биомембран клеток. Структурные белки цитоскелета придают форму клеткам и многим органоидам. Примерами структурных белков являются коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, коже, ногтях.

Сократительная (двигательная) функция. Сократительную функцию выполняют мышечные белки (актин и миозин). Белки цитоскелета необходимы для расхождения хромосом в процессе митоза.

Питательная (резервная) функция. Овальбумины(белки яйца) - источники питания для плода. Казеин - белок молока - также выполняет питательную функцию.

Каталитическая функция. Большинство известных в настоящее время ферментов (биологических катализаторов) является белками.

Транспортная функция. Белок эритроцитов гемоглобин участвует в переносе кислорода и углекислого газа, выполняя дыхательную функцию. Альбумины сыворотки крови участвуют в транспорте липидов.

Защитная функция. В ответ на поступление в организм вирусов, бактерий, чужеродных белков, токсинов образуются защитные белки - антитела (иммунная защита). Специфические белки плазмы крови способны к свертыванию, что предохраняет от кровопотери при кровотечениях (физическая защита).

Рецепторная функция. Клеточные белки образуют специфические рецепторы и участвуют в передаче гормонального сигнала.

Гормональная функция. Группа гормонов являются белками или полипептидами, например, гормон гипофиза вазопрессин.

Другие важные функции белков - буферные свойства (обеспечение физиологического значенияе рН внутренней среды), поддержаниеь онкотического давлениея в клетках и крови, и др.

В организме людей и животных содержание белка значительно выше, чем у растений. В мышцах, легких, селезенке, почках белками приходится более 70-80% сухой массы в печени - 57%, в мозге - 45%. Низкое содержание белка в кости и в зубах - 20 и 18%. Неодинаковое содержание белка и в разных субклеточных органеллах. Больше белка в гиалоплазме (внутриклеточный сок). Если принять общий белок клетки за 100%, то на гиалоплазму приходится 40%. Митохондрии и микросомы содержат по 20%, ядро - 12%, лизосомы - 2%, пероксисомы - 2,5%, плазматическая мембрана - 1,5% белка.

В состав некоторых белков входят фосфор (0,2-2%), железо и другие элементы. Наиболее постоянным для белков животного, растительного и микробного происхождения содержание азота - в среднем 16%, на этой основе по содержанию азота рассчитывают количество белка: массу азота, установленную анализом, умножают на коэффициент 6,25 (100:16 = 6,25) .

Размер белковых молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм

Гель-фильтрация, или метод молекулярных сит

Для разделения белков часто используют хроматографические методы, основанные на распределении веществ между двумя фазами, одна из которых подвижная, а другая неподвижная. В основу хроматографических методов положены разные принципы: гель-фильтрации, ионного обмена, адсорбции, биологического сродства.

Метод разделения белков с помощью гель-фильтрационной хроматографии основан на том, что вещества, отличающиеся молекулярной массой, по-разному распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Хроматографическая колонка заполняется гранулами пористого вещества (сефадекс, агароза и др.). В структуре полисахарида образуются поперечные связи и формируются гранулы с "порами", через которые легко проходят вода и низкомолекулярные вещества. В зависимости от условий можно формировать гранулы с разной величиной "пор".

Неподвижная фаза - жидкость внутри гранул, в которую способны проникать низкомолекулярные вещества и белки с небольшой молекулярной массой. Смесь белков, нанесённую на хроматографическую колонку, вымывают (элюируют), пропуская через колонку растворитель. Вместе с фронтом растворителя движутся и самые крупные молекулы.

Более мелкие молекулы диффундируют внутрь гранул сефадекса и на некоторое время попадают в неподвижную фазу, в результате чего их движение задерживается. Величина пор определяет размер молекул, способных проникать внутрь гранул (рис. 1-55).

Так как гелевая структура сефадекса легко деформируется под давлением, гели стали заменять более жёсткими матрицами (сефактил, той-оперл), представляющими сферические гранулы с разными размерами пор. Выбор размеров пор в гранулах зависит от целей хроматографии (о других хроматографических методах будет сказано ниже).

Белки, связанные с микротрубочками (MAP), регулируют их сборку, стабилизируя или дестабилизируя микротрубочки

MAP определяют степень вероятности роста или диссоциации микротрубочки

MAP могут присоединяться к различным сайтам на микротрубочках. Некоторые белки связываются с телом трубочки, некоторые только с концами. Другие связываются только с димерами тубулина, предотвращая их дальнейшую полимеризацию

Оборачиваемость микротрубочек регулируется изменением баланса между активными стабилизаторами и дестабилизаторами

Активность MAP регулируется их фосфорилированием

MAP также способны связывать мембраны или белковые комплексы с микротрубочками

Являясь компонентом цитоскелета , микротрубочки используются клеткой для выполнения разнообразных функций. В одних случаях необходимы стабильные микротрубочки, в других используются динамические. Часто в клетках, к стенкам или концам микротрубочек присоединяются органеллы или другие структуры (включая прочие компоненты цитоскелета). Для выполнения всех этих задач клетки используют ряд белков, которые называются белками, связанными с микротрубочками (англ. microtubule-associated proteins, MAP). Некоторые MAP модифицируют динамическую нестабильность, активируя или ингибируя процессы полимеризации или деполимеризации тубулина на концах микротрубочек.

Другие функционируют в качестве линкеров между концами микротрубочек и мембранными везикулами или другими микроструктурами. Некоторые МАР выполняют обе функции, регулируя сборку микротрубочек и связывание с ними различных компонентов.

Впервые МАР были идентифицированы в составе белков препаратов микротрубочек, выделенных из ткани головного мозга млекопитающих. Эта процедура схематически представлена на рисунке ниже. Два белка, названные МАР2 и tau, обнаружены только в нейронах, и обеспечивают существование долгоживущих микротрубочек, необходимых для функционирования аксонов и дендри-тов. Они присоединяются вдоль тела микротрубочек Поскольку эти белки присоединяются сразу к нескольким субъединицам тубулина, они определяют частоту наступления переходов динамической нестабильности.

Оба белка подавляют наступление катастроф и сильно увеличивают вероятность спасения микротрубочек , тем самым делая маловероятной их разборку. В результате образуются длинные микротрубочки, которые существуют гораздо дольше, чем это возможно для микротрубочек, содержащих только тубулин. Обычно эти белки связываются по длине всей микротрубочки, покрывая ее поверхность, и выглядят как скобы, укрепленные на стенке микротрубочки, сильно затрудняющие отщепление субъединиц.

Некоторые белки связываются только с плюс-концами микротрубочек . Они обозначаются как «+TIPs». Если пометить эти белки флуоресцентной меткой, они будут выглядеть как короткие участки, расположенные на плюс-концах микротрубочек. +TIPs связываются с микротрубочкой только при наличии растущего плюс-конца и, по-видимому, способны перемещаться на растущий конец. На рисунке ниже представлена микрофотография клетки, экспрессирующей флуоресцентно меченый +TIP. Видеосъемка показывает, что белок выглядит как множество небольших комет, движущихся в цитоплазме, причем каждая комета соответствует растущему концу отдельной микротрубочки.

Предполагается, что по мере добавления новых тубулиновых субъединиц к растущему концу микротрубочки к ним присоединяются индивидуальные белки +TIP. Каждый белок остается связанным с микротрубочкой лишь в течение короткого времени и затем отщепляется. Пока белок находится в связанном состоянии, микротрубочка продолжает расти, и к ней все время добавляются новые +TIPs. Постоянное добавление белков +TIP к концу микротрубочки и их отщепление, когда они оказываются позади зоны роста, позволяет прийти к выводу, о том, что концентрация связанного +TIP белка на концах микротрубочек всегда выше.

С концами микротрубочек связываются несколько различных групп белков. Один из белков, родственный +TIP, обнаружен в различных клетках и называется CLIP-170. Этот белок служит примером MAP белка, обладающего двумя функциями, поскольку он способен стабилизировать микротрубочки, способствуя их спасению, а также связывать с ними эндосомы.

Когда в клетке возникает необходимость в очень динамичных микротрубочках , например в митозе, их обмен возрастает. При этом скорость обмена субъединиц увеличивается за счет MAP которые снижают стабильность микротрубочек. В основе дестабилизирующего действия белков лежит увеличение вероятности наступления катастроф, приводящих к укорачиванию микротрубочек. Они также снижают вероятность наступления спасений и до начала возобновления роста микротрубочки теряют много своих субъединиц. Дестабилизаторы реализуют свое действие по трем механизмам: они способны разрушать ГТФ-кэпы и стимулировать наступление катастроф; они могут разрезать микротрубочки на куски с образованием множества концов, способных к диссоциации; и наконец, они связывают свободные тубулиновые субъединицы, что снижает доступное для полимеризации количество тубулина. Эти механизмы представлены на

Разрезание микротрубочек происходит с помощью белка катанина, который получил свое название от японского слова «катана», что значит меч. Катанин действует, связываясь со стенкой микротрубочки и нарушая контакты между субъединицами тубулина. Для образования разреза необходимо присоединение к микротрубочке нескольких молекул катанина, а также гидролиз АТФ. Хотя механизм разрезания микротрубочек вполне понятен, пока не ясно, каким образом катанин реализует свою активность в клетке. Белок обнаружен во всех клетках, и исследования на мутантах и с применением ингибиторов свидетельствуют о том, что он участвует в основных клеточных процессах.

Например, в клетках некоторых организмов катанин необходим для сборки митотического веретена. Также белок требуется для организации микротрубочек в клетках растений. Однако в обоих случаях непонятно, каким конкретным образом он реализует свой эффект в клетке. Возможно, что он ускоряет деполимеризацию длинных микротрубочек, разрезая их на несколько частей. Это особенно необходимо для крупных клеток, таких как яйцеклетка. Впрочем, катанин может играть и другую роль. Он обнаружен в центросомах некоторых клеток, и предполагается, что белок принимает участие в отделении новообразованных микротрубочек от ЦОМТ.

Примером белка, дестабилизирующего микротрубочки за счет разрушения ГТФ-кэпа, служит кинезин, связанный с митотической центромерой (МСАК). Он является представителем группы молекулярных моторов - кинезинов и играет важную роль в контроле динамики микротрубочек в митозе. В отличие от большинства белковых моторов, МСАК не транспортирует различные молекулы. Он лишь связывается с концами микротрубочек и дестабилизирует их структуру, способствуя образованию протофиламентов, которые отклоняются от прямолинейной ориентации. Такие закрученные протофиламенты теряют контакт с соседними субъединицами, разрушается ГТФ-кэп, и микротрубочка начинает укорачиваться. Затем из деполимеризующихся тубулиновых субъединиц высвобождается МСАК, который снова может связаться с микротрубочками.

Насколько динамичными являются микротрубочки в определенный момент времени, зависит от состояния баланса между стабилизаторами и дестабилизаторами. Сдвиг баланса при активации или инактивации различных МАР повлечет за собой или увеличение стабильности микротрубочек, или усиление обмена субъединиц. Предположение о том, что динамика микротрубочек регулируется за счет баланса между стабилизирующими и дестабилизирующими МАР, впервые было выдвинуто при исследовании двух МАР из яйцеклеток лягушки - ХМАР215 (стабилизатор микротрубочек) и МСАК. Удаление из клеток белка ХМАР215 приводит к относительному увеличению содержания белка МСАК; в результате этого в клетке образуются очень короткие микротрубочки, и увеличивается частота наступления катастроф.

Напротив, удаление МСАК благоприятствует смещению баланса в сторону более стабильных микротрубочек, которые достигают значительной длины, поскольку катастрофы наступают редко. Необходим надлежащий баланс между ХМАР215 и МСАК; в противном случае образуется функционально неполноценное веретено деления.

Каким образом регулируется активность MAP? Вообще говоря, изменения стабильности микротрубочек наступают слишком быстро для того, чтобы они обеспечивались экспрессией генов, кодирующих MAP. Поэтому активность многих MAP регулируется степенью их фосфорилирования. Например, при фосфорилировании белка tau его сродство к микротрубочкам снижается. Это приводит к снижению стабилизирующих свойств белка. Фосфорилирование MAP не обязательно проходит во всей клетке. При локальной активации киназы в небольшой области клетки активность MAP может измениться только в этой области. Переключая функции стабилизаторов и дестабилизаторов между состояниями «включено» и «выключено», клетка может поддерживать баланс, обеспечивающий присутствие более стабильных или более динамических микротрубочек.

За счет локального изменения активности MAP , клетка может реагировать на поступление внешних сигналов, обеспечивая в определенных своих частях рост более длинных микротрубочек или их диссоциацию. Локальная регуляция активности MAP происходит при изменении клеточной подвижности и, в частности, при сборке митотического веретена.

Фосфорилирование белка tau связано с болезнью Альцгеймера , хотя и не показано, что изменение динамики микротрубочек играет роль при этом заболевании. Когда tau белок подвергается гиперфосфорилированию, он образует фибриллярные агрегаты, которые можно наблюдать в головном мозге больных. Неясно, являются ли изменения белка tau, которые развиваются при болезни Альцгеймера, причиной или следствием патологического процесса. Хотя причинная роль изменений белка tau при болезни Альцгеймера не установлена, некоторые другие нейродегенеративные заболевания вызываются мутациями по гену tau и также приводят к образованию фибриллярных агрегатов tau белка и к развитию болезни.