Jak nazywa się kluczowe białka regulacyjne? Białka regulatorowe: pochodzenie

(od łac. regulo - uporządkuj, dostosuj), grupa białek biorących udział w regulacji rozkładu. biochem. procesy. Ważną grupą R. b., w tym artykule poświęconym Krymowi, są białka, które oddziałują z DNA i kontrolują ekspresję genów (ekspresję genów w znakach i właściwościach organizmu). Zdecydowana większość takich R. zrobiłaby. działa na poziomie transkrypcje(synteza informacyjnego RNA lub mRNA na matrycy DNA) i jest odpowiedzialna za aktywację lub represję (tłumienie) syntezy mRNA (odpowiednio białek aktywatorowych i białek represorowych).

Znane ok. 10 represorów. Naib. Wśród nich badane są represory prokariotyczne (bakterie, sinice), które regulują syntezę enzymów biorących udział w metabolizmie laktozy (represor lac) u Escherichia coli (E. coli) oraz represor bakteriofaga A. Ich działanie realizowane jest poprzez wiązanie z konkretem. odcinki DNA (operatory) odpowiednich genów i blokowanie inicjacji transkrypcji mRNA kodowanego przez te geny.

Represor jest zwykle dimerem dwóch identycznych łańcuchów polipeptydowych zorientowanych we wzajemnie przeciwnych kierunkach. Represory fizycznie utrudniają polimeraza RNA połączyć DNA w regionie promotora (miejsce wiązania zależnej od DNA polimerazy RNA-enzymu, który katalizuje syntezę mRNA na matrycy DNA) i rozpocząć syntezę mRNA. Zakłada się, że represor zapobiega jedynie inicjacji transkrypcji i nie wpływa na wydłużenie mRNA.

Represor może kontrolować syntezę do. jedno białko lub kilka białek, których ekspresja jest skoordynowana. Z reguły są to enzymy obsługujące jeden metabolizm. ścieżka; ich geny są częścią jednego operonu (zestawu połączonych genów i sąsiednich regionów regulatorowych).

Mn. represory mogą istnieć zarówno w formie aktywnej, jak i nieaktywnej, w zależności od tego, czy są związane z induktorami lub korepresorami (odpowiednio substratami, w obecności których specyficznie zwiększa lub zmniejsza szybkość syntezy określonego enzymu; zob. Regulatory enzymów); te interakcje mają charakter niekowalencyjny.

Dla wydajnej ekspresji genów konieczne jest nie tylko dezaktywowanie represora przez induktor, ale także realizacja konkretnego. pozytywny sygnał włączenia, w którym pośredniczy R.b., działający „w parze” z cyklicznym. monofosforan adenozyny (cAMP). Ten ostatni jest związany z konkretnym R.b. (tzw. aktywator białek CAP genów katabolicznych lub aktywator katabolizmu białek – BAC). To jest dimer z molo. m. 45 tys.. Po związaniu się z cAMP, nabiera zdolności podczepiania się do specyfiku. regiony na DNA, gwałtownie zwiększając wydajność transkrypcji genów odpowiedniego operonu. Jednocześnie CAP nie wpływa na tempo wzrostu łańcucha mRNA, ale kontroluje etap inicjacji transkrypcji – przyłączenia polimerazy RNA do promotora. W przeciwieństwie do represora CAP (w kompleksie z cAMP) ułatwia wiązanie polimerazy RNA z DNA i sprawia, że ​​inicjacja transkrypcji jest częstsza. Miejsce przyłączenia CAP do DNA przylega bezpośrednio do promotora od strony przeciwnej niż ta, w której zlokalizowany jest operator.

Regulację dodatnią (np. operon E. coli lac) można opisać uproszczonym schematem: wraz ze spadkiem stężenia glukozy (głównego źródła węgla) wzrasta stężenie cAMP, który wiąże się z SAR, a powstały kompleks do promotor lac. W efekcie stymuluje się wiązanie polimerazy RNA z promotorem i zwiększa się szybkość transkrypcji genów, to-żyto kodują enzymy, które pozwalają komórce przestawić się na użycie innego źródła węgla-laktozy. Istnieją inne specjalne R.b. (np. białko C), którego funkcjonowanie jest opisane bardziej złożonym schematem; kontrolują wąski zakres genów i mogą działać zarówno jako represory, jak i aktywatory.

Represory i aktywatory specyficzne dla operonu nie wpływają na specyficzność samej polimerazy RNA. Ten ostatni poziom regulacji jest realizowany w przypadkach dotyczących massir. zmiana w spektrum eksprymowanych genów. Tak więc w E. coli geny kodujące białka szoku cieplnego, które ulegają ekspresji w wielu stresujących warunkach komórki, są odczytywane przez polimerazę RNA tylko wtedy, gdy specjalny R.b.-t. współczynnik 32 . Cała rodzina tych R.b. (czynniki s), które zmieniają specyficzność promotora polimerazy RNA stwierdzono u prątków i innych bakterii.

Dr. odmiana R.b. zmienia katalizator Święte Wyspy polimerazy RNA (tzw. białka antyterminatorowe). Tak więc w bakteriofagu X znane są dwa takie białka, które modyfikują polimerazę RNA żyta tak, aby nie podlegały komórkowych sygnałom terminacji (końca) transkrypcji (jest to konieczne do aktywnej ekspresji genów fagowych).

Ogólny schemat genetyczny kontrola, w tym funkcjonowanie R. b., ma również zastosowanie do bakterii i komórek eukariotycznych (wszystkich organizmów z wyjątkiem bakterii i sinic).

Eukariotyczny komórki reagują na zewn. sygnały (dla nich np. hormony) w zasadzie tak samo, jak komórki bakteryjne reagują na zmiany stężenia składników odżywczych. w-w w środowisko, tj. poprzez odwracalną represję lub aktywację (derepresję) poszczególnych genów. Jednocześnie R.b., które jednocześnie kontrolują aktywność duża liczba geny, mogą być używane w rozkładzie. kombinacje. Podobna kombinacja genetyczna regulacja może zapewnić zróżnicowanie. rozwój całego złożonego organizmu wielokomórkowego dzięki interakcji. stosunkowo niewielka liczba kluczy R. b.

W systemie regulacji aktywności genów u eukariontów występuje dodatek. poziom nieobecny w bakteriach, a mianowicie translacja wszystkich nukleosomów (powtarzających się podjednostek chromatyna), które są częścią jednostki transkrypcyjnej, w aktywną (zdekondensowaną) formę w tych komórkach, w których ten gen powinien być funkcjonalnie aktywny. Zakłada się, że w grę wchodzi zestaw specyficznych R. b., które nie mają analogów u prokariontów. Białka te nie tylko rozpoznają specyficzne odcinki chromatyny (lub. DNA), ale także zwarciapewne zmiany strukturalne na obszarach przyległych. R.b., podobnie jak aktywatory i represory bakterii, najwyraźniej są zaangażowane w regulację późniejszej transkrypcji poszczególnych genów w obszarach aktiviru. chromatyna.

Klasa rozszerzona R.b. eukariota- białka receptorowe hormony steroidowe.

Sekwencja aminokwasowa R.b. tak zwane zakodowane. geny regulacyjne. Inaktywacja mutacyjna represora prowadzi do niekontrolowanej syntezy mRNA, a w konsekwencji pewnego białka (w wyniku tłumaczenie- synteza białek na matrycy mRNA). Takie organizmy nazywane są mutanty konstytutywne. Utrata aktywatora w wyniku mutacji prowadzi do trwałego spadku syntezy regulowanego białka.

===
Posługiwać się literatura do artykułu „BIAŁKA REGULACYJNE”: Strayer L., Biochemia, przeł. z angielskiego, t. 3, M., 1985, s. 112-25.

P.L. Iwanow.

Strona „BIAŁKA REGULACYJNE” przygotowane zgodnie z materiałami encyklopedii chemicznej.

Dobrze zbadane przykłady oddziaływania białek i DNA, które nie zależą od sekwencji nukleotydowej DNA, to oddziaływanie z białkami strukturalnymi. W komórce DNA jest związane z tymi białkami, tworząc zwartą strukturę zwaną chromatyną. U prokariotów chromatyna powstaje przez przyłączanie małych białek alkalicznych - histonów do DNA, mniej uporządkowana chromatyna prokariotyczna zawiera białka histonopodobne. Histony tworzą strukturę białkową w kształcie dysku - nukleosom, wokół którego znajdują się dwa zwoje helisy DNA. Wiązania niespecyficzne między histonami a DNA powstają w wyniku wiązań jonowych aminokwasów zasadowych histonów i reszt kwasowych szkieletu cukrowo-fosforanowego DNA. Modyfikacje chemiczne tych aminokwasów obejmują metylację, fosforylację i acetylację. Te modyfikacje chemiczne zmieniają siłę oddziaływania między DNA a histonami, wpływając na dostępność określonych sekwencji dla czynników transkrypcyjnych i zmieniając szybkość transkrypcji. Inne białka w chromatynie, które przyłączają się do niespecyficznych sekwencji to białka o dużej ruchliwości w żelach, które wiążą się głównie ze sfałdowanym DNA. Białka te są ważne dla tworzenia struktur wyższego rzędu w chromatynie. Specjalną grupą białek przyłączających się do DNA są te, które łączą się z jednoniciowym DNA. Najlepiej scharakteryzowanym białkiem z tej grupy u ludzi jest białko replikacji A, bez którego nie może zajść większość procesów, w których podwójna helisa się rozwija, w tym replikacja, rekombinacja i naprawa. Białka z tej grupy stabilizują jednoniciowy DNA i zapobiegają tworzeniu się pętli lub degradacji przez nukleazy.

Jednocześnie inne białka rozpoznają i przyłączają się do określonych sekwencji. Najbardziej badaną grupą takich białek są różne klasy czynników transkrypcyjnych, czyli białka regulujące transkrypcję. Każde z tych białek rozpoznaje swoją sekwencję, często w promotorze, i aktywuje lub hamuje transkrypcję genów. Dzieje się to przez połączenie czynników transkrypcyjnych z polimerazą RNA, bezpośrednio lub poprzez białka pośredniczące. Polimeraza najpierw łączy się z białkami, a następnie rozpoczyna transkrypcję. W innych przypadkach czynniki transkrypcyjne mogą przyłączać się do enzymów, które modyfikują histony zlokalizowane w promotorze, zmieniając w ten sposób dostępność DNA dla polimeraz.

Ponieważ określone sekwencje występują w wielu miejscach genomu, zmiany w aktywności jednego typu czynnika transkrypcyjnego mogą zmienić aktywność tysięcy genów. W związku z tym białka te są często regulowane w odpowiedzi na zmiany środowiskowe, rozwój organizmu i różnicowanie komórek. Specyfikę oddziaływania czynników transkrypcyjnych z DNA zapewniają liczne kontakty między aminokwasami a zasadami DNA, co pozwala im „odczytać” sekwencję DNA. Większość kontaktu z podstawami ma miejsce w głównym rowku, gdzie podstawy są bardziej dostępne.

Enzymy modyfikujące DNA

Topoizomerazy i helikazy

Główne artykuły: Topoizomerazy , Helikazy

W komórce DNA znajduje się w zwartej tzw. w super pokręconym stanie, inaczej nie byłaby w stanie się w nim zmieścić. Aby zaszły procesy życiowe, DNA musi być rozkręcone, które jest wytwarzane przez dwie grupy białek - topoizomerazy i helikazy.

Topoizomerazy to enzymy, które wykazują aktywność zarówno nukleazy, jak i ligazy. Białka te zmieniają stopień superzwijania DNA. Niektóre z tych enzymów przecinają helisę DNA i umożliwiają obracanie się jednej z nici, zmniejszając w ten sposób poziom superzwijania, po czym enzym zamyka lukę. Inne enzymy mogą przeciąć jedną z nici i przeprowadzić drugą nić przez pęknięcie, a następnie zligować pęknięcie w pierwszej nici. Topoizomerazy są niezbędne w wielu procesach związanych z DNA, takich jak replikacja i transkrypcja.

Helikazy to białka będące jednym z silników molekularnych. Wykorzystują energię chemiczną trifosforanów nukleotydów, najczęściej ATP, do rozbijania wiązań wodorowych między zasadami, rozwijając podwójną helisę na oddzielne nici. Enzymy te są niezbędne w większości procesów, w których białka potrzebują dostępu do zasad DNA.

Nukleazy i ligazy

Nukleaza, Ligaz

W różnych procesach zachodzących w komórce, na przykład rekombinacji i naprawie, zaangażowane są enzymy, które mogą ciąć i przywracać integralność nici DNA. Enzymy przecinające DNA nazywane są nukleazami. Nukleazy, które hydrolizują nukleotydy na końcach cząsteczki DNA, nazywane są egzonukleazami, podczas gdy endonukleazy przecinają DNA wewnątrz nici. Najczęściej stosowanymi nukleazami w biologii molekularnej i inżynierii genetycznej są enzymy restrykcyjne, które tną DNA wokół określonych sekwencji. Na przykład enzym EcoRV (enzym restrykcyjny #5 z E coli) rozpoznaje sześcionukleotydową sekwencję 5"-GAT|ATC-3" i tnie DNA w miejscu wskazanym przez linię pionową. W naturze enzymy te chronią bakterie przed infekcją bakteriofagami, przecinając DNA faga, gdy jest on wprowadzany do komórki bakteryjnej. W tym przypadku nukleazy są częścią systemu modyfikacji i restrykcji. Ligazy DNA sieciują cukrowe zasady fosforanowe w cząsteczce DNA przy użyciu energii ATP. Nukleazy restrykcyjne i ligazy są wykorzystywane do klonowania i odcisków palców.

Polimeraza DNA I (struktura w kształcie pierścienia składająca się z kilku identycznych cząsteczek białka, pokazanych w różnych kolorach), ligująca uszkodzoną nić DNA

Polimerazy

polimeraza DNA

Istnieje również grupa enzymów ważnych dla metabolizmu DNA, które syntetyzują łańcuchy polinukleotydowe z trifosforanów nukleozydów - polimeraza DNA. Dodają nukleotydy do grupy 3"-hydroksylowej poprzedniego nukleotydu w łańcuchu DNA, dzięki czemu wszystkie polimerazy działają w kierunku 5"-->3". W centrum aktywnym tych enzymów substrat - trifosforan nukleozydu - paruje z komplementarna zasada jako część jednoniciowego łańcucha polinukleotydowego - matryca.

Podczas replikacji DNA, zależna od DNA polimeraza DNA syntetyzuje kopię oryginalnej sekwencji DNA. Dokładność jest bardzo ważna w tym procesie, ponieważ błędy w polimeryzacji doprowadzą do mutacji, więc wiele polimeraz ma zdolność „edycji” - poprawiania błędów. Polimeraza rozpoznaje błędy w syntezie na podstawie braku parowania nieprawidłowych nukleotydów. Po ustaleniu braku parowania aktywowana jest aktywność egzonukleazy 3"-->5" polimerazy i usuwana jest niewłaściwa zasada. W większości organizmów polimerazy DNA działają jako duży kompleks zwany replisomem, który zawiera liczne dodatkowe podjednostki, takie jak helikazy.

Polimerazy DNA zależne od RNA są wyspecjalizowanym rodzajem polimeraz, które kopiują sekwencję RNA na DNA. Ten typ obejmuje wirusowy enzym odwrotną transkryptazę, który jest wykorzystywany przez retrowirusy podczas infekcji komórek, a także telomerazę, która jest niezbędna do replikacji telomerów. Telomeraza jest niezwykłym enzymem, ponieważ zawiera własny informacyjny RNA.

Transkrypcja jest przeprowadzana przez zależną od DNA polimerazę RNA, która kopiuje sekwencję DNA jednej nici na mRNA. Na początku transkrypcji genu polimeraza RNA przyłącza się do sekwencji na początku genu, zwanej promotorem, i rozwija helisę DNA. Następnie kopiuje sekwencję genu na informacyjny RNA, aż dotrze do DNA znajdującego się na końcu genu – terminatora, gdzie zatrzymuje się i odłącza od DNA. Podobnie jak ludzka polimeraza DNA zależna od DNA, polimeraza RNA II, która dokonuje transkrypcji większości genów w ludzkim genomie, działa jako część dużego kompleks białkowy, zawierający jednostki regulacyjne i dodatkowe .

Praca genów w każdym organizmie – prokariotycznym, eukariotycznym, jednokomórkowym czy wielokomórkowym – jest kontrolowana i koordynowana.

Różne geny mają różną aktywność czasową. Niektóre z nich charakteryzują się stałą aktywnością. Takie geny są odpowiedzialne za syntezę białek niezbędnych komórce lub organizmowi przez całe życie, na przykład geny, których produkty biorą udział w syntezie ATP. Większość genów ma okresową aktywność, działają tylko w określonych momentach, kiedy istnieje zapotrzebowanie na ich produkty - białka. Geny różnią się również poziomem aktywności (niski lub wysoki).

Białka komórkowe są klasyfikowane jako regulatorowe i strukturalne. Białka regulatorowe są syntetyzowane na genach regulatorowych i kontrolują funkcjonowanie genów strukturalnych. Geny strukturalne kodują białka strukturalne, które pełnią funkcje strukturalne, enzymatyczne, transportowe i inne (poza regulatorowymi!).

Regulacja syntezy białek odbywa się na wszystkich etapach tego procesu: transkrypcji, translacji i modyfikacji potranslacyjnej, poprzez indukcję lub represję.

Regulacja aktywności genów w organizmach eukariotycznych jest znacznie bardziej skomplikowana niż regulacja ekspresji genów prokariotycznych, o czym decyduje złożoność organizacji organizmu eukariotycznego, a zwłaszcza wielokomórkowego. W 1961 roku francuscy naukowcy F. Jacob, J. Monod i A. Lvov sformułowali model kontroli genetycznej syntezy białek katalizujących przyswajanie laktozy przez komórkę – pojęcie operonu.

Operon to grupa genów kontrolowanych przez pojedynczy gen regulatorowy.

Gen regulatorowy to gen o stałej niskiej aktywności, na którym syntetyzowane jest białko represorowe – białko regulatorowe, które może wiązać się z operatorem, inaktywując go.

Operator jest punktem wyjścia do odczytywania informacji genetycznej, kontroluje pracę genów strukturalnych.

Geny strukturalne operonu laktozy zawierają informacje o enzymach biorących udział w metabolizmie laktozy. Dlatego laktoza będzie służyć jako induktor - środek inicjujący pracę operonu.

Promotor jest miejscem przyłączenia polimerazy RNA.

Terminator jest miejscem zakończenia syntezy mRNA.

W przypadku braku induktora system nie działa, ponieważ represor „wolny” od induktora – laktoza – jest podłączony do operatora. W takim przypadku enzym polimeraza RNA nie może katalizować procesu syntezy mRNA. Jeśli laktoza (induktor) znajduje się w komórce, to oddziałując z represorem, zmienia swoją strukturę, w wyniku czego represor uwalnia operatora. Polimeraza RNA wiąże się z promotorem, rozpoczyna się synteza mRNA (transkrypcja genów strukturalnych). Następnie na rybosomach powstają białka zgodnie z programem operonu mRNA-laktoza. W organizmach prokariotycznych jedna cząsteczka mRNA przepisuje informacje ze wszystkich genów strukturalnych operonu, tj. Operon to jednostka transkrypcyjna. Transkrypcja trwa tak długo, jak cząsteczki laktozy pozostają w cytoplazmie komórki. Gdy tylko wszystkie cząsteczki są przetwarzane przez komórkę, represor zamyka operator i zatrzymuje się synteza mRNA.

Tak więc synteza mRNA i odpowiednio synteza białek muszą być ściśle regulowane, ponieważ komórka nie ma wystarczających zasobów do jednoczesnej transkrypcji i translacji wszystkich genów strukturalnych. Zarówno pro-, jak i eukarionty nieustannie syntetyzują tylko te mRNA, które są niezbędne do wykonywania podstawowych funkcji komórkowych.Ekspresja innych genów strukturalnych odbywa się pod ścisłą kontrolą układów regulacyjnych, które wyzwalają transkrypcję tylko wtedy, gdy istnieje zapotrzebowanie na określone białko (białka ).

BIAŁKA REGULACYJNE (od łac. regulo - uporządkuj, dostosuj), grupa białek. zaangażowany w regulację rozkładu. biochem. procesy. Ważną grupą białek regulatorowych, której poświęcony jest ten artykuł, są białka oddziałujące z DNA i kontrolujące ekspresję genów (ekspresję genów w charakterystyce i właściwościach organizmu). Zdecydowana większość tych białek regulatorowych działa na poziomie transkrypcji (synteza informacyjnego RNA lub mRNA na matrycy DNA) i jest odpowiedzialna za aktywację lub represję (supresję) syntezy mRNA (odpowiednio białka aktywatorowe i białka represorowe) .

Znane ok. 10 represorów. Naib. Wśród nich badane są represory prokariotyczne (bakterie, sinice), które regulują syntezę enzymów biorących udział w metabolizmie laktozy (represor lac) u Escherichia coli (E. coli) oraz represor bakteriofaga A. Ich działanie realizowane jest poprzez wiązanie z konkretem. odcinki DNA (operatory) odpowiednich genów i blokowanie inicjacji transkrypcji mRNA kodowanego przez te geny.

Represor jest zwykle dimerem dwóch identycznych łańcuchów polipeptydowych zorientowanych we wzajemnie przeciwnych kierunkach. Represory fizycznie zapobiegają przyłączaniu polimerazy RNA do DNA w miejscu promotora (miejsce wiązania enzymu polimerazy RNA zależnej od DNA, który katalizuje syntezę mRNA na matrycy DNA) i rozpoczynaniu syntezy mRNA. Zakłada się, że represor zapobiega jedynie inicjacji transkrypcji i nie wpływa na wydłużenie mRNA.

Represor może kontrolować syntezę do. pojedyncze białko lub szereg białek. którego ekspresja jest skoordynowana. Z reguły są to enzymy obsługujące jeden metabolizm. ścieżka; ich geny są częścią jednego operonu (zestawu połączonych genów i sąsiednich regionów regulatorowych).

Mn. represory mogą występować zarówno w postaci aktywnej, jak i nieaktywnej, w zależności od tego, czy są związane z induktorami lub korepresorami (odpowiednio substraty, w obecności których szybkość syntezy konkretnego enzymu jest specyficznie zwiększona lub zmniejszona; patrz Regulatory enzymów); te interakcje mają charakter niekowalencyjny.

Dla wydajnej ekspresji genów konieczne jest nie tylko dezaktywowanie represora przez induktor, ale także realizacja konkretnego. pozytywny sygnał włączania, w którym pośredniczą białka regulatorowe działające „w parze” z cyklicznym. monofosforan adenozyny (cAMP). Ten ostatni wiąże się ze specyficznymi białkami regulatorowymi (tzw. CAP-białko-aktywatorem genów katabolizmu lub białkami. aktywator katabolizmu-BAC). To jest dimer z molo. m. 45 tys.. Po związaniu się z cAMP, nabiera zdolności podczepiania się do specyfiku. regiony na DNA, gwałtownie zwiększając wydajność transkrypcji genów odpowiedniego operonu. Jednocześnie CAP nie wpływa na tempo wzrostu łańcucha mRNA, ale kontroluje etap inicjacji transkrypcji – przyłączenia polimerazy RNA do promotora. W przeciwieństwie do represora CAP (w kompleksie z cAMP) ułatwia wiązanie polimerazy RNA z DNA i sprawia, że ​​inicjacja transkrypcji jest częstsza. Miejsce przyłączenia CAP do DNA przylega bezpośrednio do promotora od strony przeciwnej niż ta, w której zlokalizowany jest operator.

Pozytywną regulację (np. operonu E. coli lac) można opisać w sposób uproszczony: wraz ze spadkiem stężenia glukozy (głównego źródła węgla) wzrasta stężenie cAMP, które wiąże się z CAP, a wynikowy kompleks zwiększa się wraz z promotorem lac. W rezultacie stymuluje się wiązanie polimerazy RNA z promotorem i wzrasta szybkość transkrypcji genów kodujących enzymy umożliwiające komórce przełączenie się na inne źródło węgla, laktozę. Istnieją inne specjalne białka regulatorowe (np. białko C), których działanie opisuje bardziej złożony schemat; kontrolują wąski zakres genów i mogą działać zarówno jako represory, jak i aktywatory.

Represory i aktywatory specyficzne dla operonu nie wpływają na specyficzność samej polimerazy RNA. Ten ostatni poziom regulacji jest realizowany w przypadkach dotyczących massir. zmiana w spektrum eksprymowanych genów. Tak więc w E. coli geny kodujące białka szoku cieplnego, które ulegają ekspresji w wielu stresujących warunkach komórki, są odczytywane przez polimerazę RNA tylko wtedy, gdy specjalne białko regulatorowe, tzw. współczynnik s32. W prątkach i innych bakteriach znaleziono całą rodzinę tych białek regulatorowych (czynników s), które zmieniają specyficzność promotora polimerazy RNA.

Dr. wiele białek regulatorowych zmienia katalitycznie. właściwości polimerazy RNA (tzw. białek antyterminatorowych). Na przykład, w bakteriofagu X znane są dwa takie białka, które modyfikują polimerazę RNA tak, że nie podlega ona komórkowym sygnałom terminacji (końca) transkrypcji (jest to konieczne do aktywnej ekspresji genów fagowych).

Ogólny schemat genetyczny kontrola, w tym funkcjonowanie białek regulatorowych, ma również zastosowanie do bakterii i komórek eukariotycznych (wszystkie organizmy z wyjątkiem bakterii i sinic).

Eukariotyczny komórki reagują na zewn. sygnały (dla nich np. hormony) w zasadzie tak samo, jak komórki bakteryjne reagują na zmiany stężenia składników odżywczych. substancje w środowisku, tj. poprzez odwracalną represję lub aktywację (derepresję) poszczególnych genów. Jednocześnie białka regulatorowe, które jednocześnie kontrolują aktywność dużej liczby genów, mogą być stosowane w procesie rozkładu. kombinacje. Podobna kombinacja genetyczna regulacja może zapewnić zróżnicowanie. rozwój całego złożonego organizmu wielokomórkowego dzięki interakcji. stosunkowo niewiele kluczowych białek regulatorowych

W systemie regulacji aktywności genów u eukariontów występuje dodatek. poziom nieobecny w bakteriach, a mianowicie translacja wszystkich nukleosomów (powtarzających się podjednostek chromatyny), które tworzą jednostkę transkrypcyjną do postaci aktywnej (zdekondensowanej) w tych komórkach, w których gen ten powinien być funkcjonalnie aktywny. Zakłada się, że w grę wchodzi zestaw specyficznych białek regulatorowych, które nie mają analogów u prokariontów. Białka te nie tylko rozpoznają specyficzne odcinki chromatyny (lub. DNA), ale także powodują pewne zmiany strukturalne w sąsiednich obszarach. białka regulatorowe, takie jak aktywatory i represory bakterii, najwyraźniej są zaangażowane w regulację późniejszej transkrypcji poszczególnych genów w obszarach activir. chromatyna.

Obszerna klasa białek regulatorowych, białek receptorowych eukariotycznych hormonów steroidowych.

Sekwencja aminokwasowa białek regulatorowych jest kodowana przez tzw. geny regulacyjne. Inaktywacja mutacyjna represora prowadzi do niekontrolowanej syntezy mRNA, aw konsekwencji pewnego białka (w wyniku syntezy białka translacyjnego na matrycy mRNA). Takie organizmy nazywane są mutanty konstytutywne. Utrata aktywatora w wyniku mutacji prowadzi do trwałego spadku syntezy regulowanego białka.

BIAŁKA REGULACYJNE(od łac. regulo - uporządkuj, dostosuj), grupa białek biorących udział w regulacji rozkładu. biochem. procesy. Ważną grupą R. b., w tym artykule poświęconym Krymowi, są białka, które oddziałują z DNA i kontrolują ekspresję genów (ekspresję genów w znakach i właściwościach organizmu). Zdecydowana większość takich R. zrobiłaby. działa na poziomie transkrypcje(synteza informacyjnego RNA lub mRNA na matrycy DNA) i jest odpowiedzialna za aktywację lub represję (tłumienie) syntezy mRNA (odpowiednio białek aktywatorowych i białek represorowych).

Znane ok. 10 represorów. Naib. Wśród nich badane są represory prokariotyczne (bakterie, sinice), które regulują syntezę enzymów biorących udział w metabolizmie laktozy (represor lac) u Escherichia coli (E. coli) oraz represor bakteriofaga A. Ich działanie realizowane jest poprzez wiązanie z konkretem. odcinki DNA (operatory) odpowiednich genów i blokowanie inicjacji transkrypcji mRNA kodowanego przez te geny.

Represor jest zwykle dimerem dwóch identycznych łańcuchów polipeptydowych zorientowanych we wzajemnie przeciwnych kierunkach. Represory fizycznie utrudniają polimeraza RNA połączyć DNA w regionie promotora (miejsce wiązania zależnej od DNA polimerazy RNA-enzymu, który katalizuje syntezę mRNA na matrycy DNA) i rozpocząć syntezę mRNA. Zakłada się, że represor zapobiega jedynie inicjacji transkrypcji i nie wpływa na wydłużenie mRNA.

Represor może kontrolować syntezę do. jedno białko lub kilka białek, których ekspresja jest skoordynowana. Z reguły są to enzymy obsługujące jeden metabolizm. ścieżka; ich geny są częścią jednego operonu (zestawu połączonych genów i sąsiednich regionów regulatorowych).

Mn. represory mogą istnieć zarówno w formie aktywnej, jak i nieaktywnej, w zależności od tego, czy są związane z induktorami lub korepresorami (odpowiednio substratami, w obecności których specyficznie zwiększa lub zmniejsza szybkość syntezy określonego enzymu; zob. Regulatory enzymów); te interakcje mają charakter niekowalencyjny.

Dla wydajnej ekspresji genów konieczne jest nie tylko dezaktywowanie represora przez induktor, ale także realizacja konkretnego. pozytywny sygnał włączenia, w którym pośredniczy R.b., działający „w parze” z cyklicznym. monofosforan adenozyny (cAMP). Ten ostatni jest związany z konkretnym R.b. (tzw. aktywator białek CAP genów katabolicznych lub aktywator katabolizmu białek – BAC). To jest dimer z molo. m. 45 tys.. Po związaniu się z cAMP, nabiera zdolności podczepiania się do specyfiku. regiony na DNA, gwałtownie zwiększając wydajność transkrypcji genów odpowiedniego operonu. Jednocześnie CAP nie wpływa na tempo wzrostu łańcucha mRNA, ale kontroluje etap inicjacji transkrypcji – przyłączenia polimerazy RNA do promotora. W przeciwieństwie do represora CAP (w kompleksie z cAMP) ułatwia wiązanie polimerazy RNA z DNA i sprawia, że ​​inicjacja transkrypcji jest częstsza. Miejsce przyłączenia CAP do DNA przylega bezpośrednio do promotora od strony przeciwnej niż ta, w której zlokalizowany jest operator.

Regulację dodatnią (np. operon E. coli lac) można opisać uproszczonym schematem: wraz ze spadkiem stężenia glukozy (głównego źródła węgla) wzrasta stężenie cAMP, który wiąże się z SAR, a powstały kompleks do promotor lac. W efekcie stymuluje się wiązanie polimerazy RNA z promotorem i zwiększa się szybkość transkrypcji genów, to-żyto kodują enzymy, które pozwalają komórce przestawić się na użycie innego źródła węgla-laktozy. Istnieją inne specjalne R.b. (np. białko C), którego funkcjonowanie jest opisane bardziej złożonym schematem; kontrolują wąski zakres genów i mogą działać zarówno jako represory, jak i aktywatory.

Represory i aktywatory specyficzne dla operonu nie wpływają na specyficzność samej polimerazy RNA. Ten ostatni poziom regulacji jest realizowany w przypadkach dotyczących massir. zmiana w spektrum eksprymowanych genów. Tak więc w E. coli geny kodujące białka szoku cieplnego, które ulegają ekspresji w wielu stresujących warunkach komórki, są odczytywane przez polimerazę RNA tylko wtedy, gdy specjalny R.b.-t. współczynnik 32 . Cała rodzina tych R.b. (czynniki s), które zmieniają specyficzność promotora polimerazy RNA stwierdzono u prątków i innych bakterii.

Dr. odmiana R.b. zmienia katalizator Święte Wyspy polimerazy RNA (tzw. białka antyterminatorowe). Tak więc w bakteriofagu X znane są dwa takie białka, które modyfikują polimerazę RNA żyta tak, aby nie podlegały komórkowych sygnałom terminacji (końca) transkrypcji (jest to konieczne do aktywnej ekspresji genów fagowych).

Ogólny schemat genetyczny kontrola, w tym funkcjonowanie R. b., ma również zastosowanie do bakterii i komórek eukariotycznych (wszystkich organizmów z wyjątkiem bakterii i sinic).

Eukariotyczny komórki reagują na zewn. sygnały (dla nich np. hormony) w zasadzie tak samo, jak komórki bakteryjne reagują na zmiany stężenia składników odżywczych. in-in w środowisku, tj. poprzez odwracalną represję lub aktywację (derepresję) poszczególnych genów. Jednocześnie R.b., które jednocześnie kontrolują aktywność dużej liczby genów, mogą być stosowane w rozkładzie. kombinacje. Podobna kombinacja genetyczna regulacja może zapewnić zróżnicowanie. rozwój całego złożonego organizmu wielokomórkowego dzięki interakcji. stosunkowo niewielka liczba kluczy R. b.

W systemie regulacji aktywności genów u eukariontów występuje dodatek. poziom nieobecny w bakteriach, a mianowicie translacja wszystkich nukleosomów (powtarzających się podjednostek chromatyna), które są częścią jednostki transkrypcyjnej, w aktywną (zdekondensowaną) formę w tych komórkach, w których ten gen powinien być funkcjonalnie aktywny. Zakłada się, że w grę wchodzi zestaw specyficznych R. b., które nie mają analogów u prokariontów. Białka te nie tylko rozpoznają specyficzne odcinki chromatyny (lub. DNA), ale także zwarciapewne zmiany strukturalne na obszarach przyległych. R.b., podobnie jak aktywatory i represory bakterii, najwyraźniej są zaangażowane w regulację późniejszej transkrypcji poszczególnych genów w obszarach aktiviru. chromatyna.

Klasa rozszerzona R.b. eukariota- białka receptorowe hormony steroidowe.

Sekwencja aminokwasowa R.b. tak zwane zakodowane. geny regulacyjne. Inaktywacja mutacyjna represora prowadzi do niekontrolowanej syntezy mRNA, a w konsekwencji pewnego białka (w wyniku tłumaczenie- synteza białek na matrycy mRNA). Takie organizmy nazywane są mutanty konstytutywne. Utrata aktywatora w wyniku mutacji prowadzi do trwałego spadku syntezy regulowanego białka.

Oświetlony.: Strayer L., Biochemia, przeł. z angielskiego, t. 3, M., 1985, s. 112-25.

P.L. Iwanow.

Treść artykułu

BIAŁKA (Artykuł 1)- klasa polimerów biologicznych obecnych w każdym żywym organizmie. Przy udziale białek zachodzą główne procesy zapewniające życiową aktywność organizmu: oddychanie, trawienie, skurcze mięśni, przekazywanie impulsów nerwowych. Tkanka kostna, skóra, włosy, rogi istot żywych składają się z białek. U większości ssaków wzrost i rozwój organizmu następuje dzięki produktom zawierającym białka jako składnik pokarmu. Rola białek w organizmie, a co za tym idzie ich struktura, jest bardzo zróżnicowana.

Skład białek.

Wszystkie białka są polimerami, których łańcuchy składają się z fragmentów aminokwasów. Aminokwasy to związki organiczne zawierające w swoim składzie (zgodnie z nazwą) grupę aminową NH2 oraz kwas organiczny tj. karboksyl, grupa COOH. Spośród całej różnorodności istniejących aminokwasów (teoretycznie liczba możliwych aminokwasów jest nieograniczona) tylko te, które mają tylko jeden atom węgla między grupą aminową a grupą karboksylową uczestniczą w tworzeniu białek. Ogólnie aminokwasy biorące udział w tworzeniu białek można przedstawić wzorem: H 2 N–CH(R)–COOH. Grupa R przyłączona do atomu węgla (ta pomiędzy grupami aminowymi i karboksylowymi) określa różnicę między aminokwasami tworzącymi białka. Ta grupa może składać się tylko z atomów węgla i wodoru, ale częściej zawiera oprócz C i H różne grupy funkcyjne (zdolne do dalszych przekształceń), na przykład HO-, H 2 N- itp. Istnieje również opcja, gdy R \u003d H.

Organizmy istot żywych zawierają ponad 100 różnych aminokwasów, jednak nie wszystkie są wykorzystywane do budowy białek, a jedynie 20, tzw. „podstawowych”. W tabeli. 1 przedstawia ich nazwy (większość nazw rozwinęła się historycznie), wzór strukturalny, a także szeroko stosowany skrót. Wszystkie wzory strukturalne ułożone są w tabeli tak, aby główny fragment aminokwasu znajdował się po prawej stronie.

Tabela 1. AMINOKWASY ZAANGAŻOWANE W TWORZENIE BIAŁEK

Nazwa	Struktura	Przeznaczenie
GLICYNA		GLI
ALANINA		ALA
VALIN		WAŁ
LEUCINE		LEI
IZOLEUCYNA		ILE
SERIN		SER
TREONINA		TRE
CYSTEINA		WNP
METIONINA		SPOTKAŁ
LIZYNA		LIZ
ARGININA		ARG
KWAS SZPARAGOWY		ASN
ASPARAGINA		ASN
KWAS GLUTAMINOWY		GLU
GLUTAMINA		GLN
fenyloalanina		suszarka do włosów
TYROZYNA		TIR
tryptofan		TRZY
HISTYDYNA		GIS
PROLINE		ZAWODOWIEC
W praktyce międzynarodowej akceptowane jest skrócone oznaczenie wymienionych aminokwasów za pomocą łacińskich skrótów trzyliterowych lub jednoliterowych, na przykład glicyna - Gly lub G, alanina - Ala lub A.

Spośród tych dwudziestu aminokwasów (Tabela 1) tylko prolina zawiera grupę NH (zamiast NH 2) obok grupy karboksylowej COOH, ponieważ jest częścią fragmentu cyklicznego.

Osiem aminokwasów (walina, leucyna, izoleucyna, treonina, metionina, lizyna, fenyloalanina i tryptofan), umieszczonych w tabeli na szarym tle, nazywa się niezbędnymi, ponieważ organizm musi stale otrzymywać je z pokarmem białkowym dla prawidłowego wzrostu i rozwoju.

W wyniku sekwencyjnego połączenia aminokwasów powstaje cząsteczka białka, a grupa karboksylowa jednego kwasu oddziałuje z grupą aminową sąsiedniej cząsteczki, w wyniku czego powstaje wiązanie peptydowe –CO–NH– i woda cząsteczka zostaje uwolniona. Na ryc. 1 przedstawia szeregowe połączenie alaniny, waliny i glicyny.

Ryż. jeden SZEREGOWE POŁĄCZENIE AMINOKWASÓW podczas tworzenia cząsteczki białka. Jako główny kierunek łańcucha polimeru wybrano drogę od terminalnej grupy aminowej H2N do terminalnej grupy karboksylowej COOH.

Aby zwięźle opisać strukturę cząsteczki białka, stosuje się skróty dla aminokwasów (tabela 1, trzecia kolumna) biorących udział w tworzeniu łańcucha polimerowego. Fragment cząsteczki pokazany na ryc. 1 zapisuje się następująco: H2N-ALA-VAL-GLY-COOH.

Cząsteczki białka zawierają od 50 do 1500 reszt aminokwasowych (krótsze łańcuchy nazywane są polipeptydami). Indywidualność białka określa zestaw aminokwasów tworzących łańcuch polimerowy i, co nie mniej ważne, kolejność ich przemian w łańcuchu. Na przykład cząsteczka insuliny składa się z 51 reszt aminokwasowych (jest to jedno z najkrótszych białek) i składa się z dwóch połączonych ze sobą równoległych łańcuchów o nierównej długości. Sekwencję fragmentów aminokwasów przedstawiono na ryc. 2.

Ryż. 2 CZĄSTECZKA INSULINY, zbudowany z 51 reszt aminokwasowych, fragmenty tych samych aminokwasów zaznaczono odpowiednim kolorem tła. Reszty aminokwasowe cysteiny (w skrócie CIS) zawarte w łańcuchu tworzą mostki dwusiarczkowe -S-S-, które łączą dwie cząsteczki polimeru lub tworzą zworki w ramach jednego łańcucha.

Cząsteczki aminokwasu cysteiny (tabela 1) zawierają reaktywne grupy siarczkowe -SH, które oddziałują ze sobą, tworząc mostki dwusiarczkowe -S-S-. Rola cysteiny w świecie białek jest szczególna, przy jej udziale powstają wiązania poprzeczne pomiędzy polimerowymi cząsteczkami białek.

Połączenie aminokwasów w łańcuch polimerowy zachodzi w żywym organizmie pod kontrolą kwasy nukleinowe, zapewniają ścisłą kolejność montażu i regulują stałą długość cząsteczki polimeru ( cm. KWASY NUKLEINOWE).

Struktura białek.

Skład cząsteczki białka, przedstawiony w postaci naprzemiennych reszt aminokwasowych (ryc. 2), nazywany jest pierwotną strukturą białka. Wiązania wodorowe powstają między grupami iminowymi HN obecnymi w łańcuchu polimeru a grupami karbonylowymi CO ( cm. WIĄZANIE WODOROWE) w rezultacie cząsteczka białka nabiera określonego kształtu przestrzennego, zwanego strukturą drugorzędową. Najczęściej spotykane są dwa rodzaje struktur drugorzędowych w białkach.

Pierwsza opcja, zwana helisą α, jest realizowana za pomocą wiązań wodorowych w obrębie jednej cząsteczki polimeru. Parametry geometryczne cząsteczki, określone przez długości wiązań i kąty wiązań, są takie, że tworzenie wiązań wodorowych jest możliwe dla grupy H-N i C=O, pomiędzy którymi znajdują się dwa fragmenty peptydowe H-N-C=O (rys. 3).

Skład łańcucha polipeptydowego pokazany na ryc. 3 zapisuje się w formie skróconej w następujący sposób:

H 2 N-ALA VAL-ALA-LEY-ALA-ALA-ALA-ALA-VAL-ALA-ALA-ALA-COOH.

W wyniku kurczącego działania wiązań wodorowych cząsteczka przybiera postać helisy – tzw.

Ryż. cztery MODEL 3D CZĄSTECZKI BIAŁKA w formie α-helisy. Wiązania wodorowe są pokazane jako zielone kropkowane linie. Cylindryczny kształt spirali jest widoczny pod pewnym kątem obrotu (na rysunku nie pokazano atomów wodoru). Kolory poszczególnych atomów są podane zgodnie z międzynarodowymi przepisami, które zalecają czarny dla atomów węgla, niebieski dla azotu, czerwony dla tlenu i żółty dla siarki (biały kolor jest zalecany dla atomów wodoru nie pokazanych na rysunku, w tym przypadku cała konstrukcja przedstawiona na ciemnym tle).

Inny wariant struktury drugorzędowej, zwany strukturą β, również powstaje przy udziale wiązań wodorowych, różnica polega na tym, że grupy H-N i C=O dwóch lub więcej równoległych łańcuchów polimerowych oddziałują na siebie. Ponieważ łańcuch polipeptydowy ma kierunek (rys. 1), możliwe są warianty, gdy kierunek łańcuchów jest taki sam (struktura równoległa β, ryc. 5) lub przeciwnie (struktura antyrównoległa β, ryc. 6) .

W tworzeniu struktury β mogą uczestniczyć łańcuchy polimerów o różnym składzie, natomiast grupy organiczne otaczające łańcuch polimeru (Ph, CH2OH itp.) w większości przypadków odgrywają rolę drugorzędną, wzajemne ułożenie H-N i C Grupy =O są decydujące. Ponieważ grupy H-N i C=O są skierowane w różnych kierunkach względem łańcucha polimeru (w górę iw dół na rysunku), możliwe staje się jednoczesne oddziaływanie trzech lub więcej łańcuchów.

Skład pierwszego łańcucha polipeptydowego na ryc. 5:

H 2 N-LEI-ALA-FEN-GLI-ALA-ALA-COOH

Skład drugiego i trzeciego łańcucha:

H 2 N-GLY-ALA-SER-GLY-TRE-ALA-COOH

Skład łańcuchów polipeptydowych pokazany na ryc. 6, tak samo jak na ryc. 5, różnica polega na tym, że drugi łańcuch ma przeciwny (w porównaniu z rys. 5) kierunek.

Możliwe jest utworzenie struktury β w obrębie jednej cząsteczki, gdy fragment łańcucha w pewnym odcinku okazuje się być obrócony o 180°, w tym przypadku dwie gałęzie jednej cząsteczki mają przeciwny kierunek, w wyniku czego Powstaje struktura β (ryc. 7).

Struktura pokazana na ryc. 7 na płaskim obrazie, pokazanym na ryc. 8 w formie trójwymiarowego modelu. Odcinki struktury β są zwykle oznaczone w uproszczony sposób płaską falistą wstęgą, która przechodzi przez atomy tworzące łańcuch polimerowy.

W strukturze wielu białek naprzemiennie występują odcinki α-helisy i wstęgowe β-struktury, a także pojedyncze łańcuchy polipeptydowe. Ich wzajemne ułożenie i przemiana w łańcuchu polimerowym nazywana jest trzeciorzędową strukturą białka.

Metody obrazowania struktury białek przedstawiono poniżej na przykładzie krambiny z białka roślinnego. Wzory strukturalne białek, często zawierające nawet setki fragmentów aminokwasów, są złożone, nieporęczne i trudne do zrozumienia, dlatego czasami stosuje się uproszczone wzory strukturalne - bez symboli pierwiastków chemicznych (rys. 9, opcja A), ale jednocześnie czas, w którym zachowują kolor kresek walencyjnych zgodnie z międzynarodowymi zasadami (ryc. 4). W tym przypadku wzór przedstawiony jest nie w postaci płaskiej, ale przestrzennej, co odpowiada rzeczywistej strukturze cząsteczki. Metoda ta umożliwia np. rozróżnienie mostków dwusiarczkowych (podobnych do tych występujących w insulinie, ryc. 2), grup fenylowych w ramie bocznej łańcucha itp. Obraz cząsteczek w postaci trójwymiarowej modele (kulki połączone prętami) są nieco jaśniejsze (ryc. 9, opcja B). Jednak obie metody nie pozwalają na pokazanie struktury trzeciorzędowej, dlatego amerykańska biofizyk Jane Richardson zaproponowała przedstawienie struktur α jako spiralnie skręconych wstęg (patrz ryc. 4), struktur β jako płaskich falistych wstęg (ryc. 8) i łączących z nich pojedyncze łańcuchy - w postaci cienkich wiązek, każdy rodzaj struktury ma swój własny kolor. Ta metoda obrazowania trzeciorzędowej struktury białka jest obecnie szeroko stosowana (ryc. 9, wariant B). Czasami, dla większej zawartości informacji, struktura trzeciorzędowa i uproszczona formuła strukturalna są przedstawiane razem (rys. 9, wariant D). Istnieją również modyfikacje metody zaproponowanej przez Richardsona: α-helisy są przedstawione jako cylindry, a β-struktury mają postać płaskich strzałek wskazujących kierunek łańcucha (rys. 9, opcja E). Mniej powszechna jest metoda, w której cała cząsteczka jest przedstawiana jako wiązka, w której nierówne struktury wyróżniają się różnymi kolorami, a mostki dwusiarczkowe są pokazane jako żółte mostki (ryc. 9, wariant E).

Opcja B jest najwygodniejsza do percepcji, gdy przy przedstawianiu struktury trzeciorzędowej nie wskazuje się cech strukturalnych białka (fragmenty aminokwasów, ich kolejność naprzemienna, wiązania wodorowe), natomiast zakłada się, że wszystkie białka zawierają „szczegóły” pobrane ze standardowego zestawu dwudziestu aminokwasów (Tabela 1). Głównym zadaniem w obrazowaniu struktury trzeciorzędowej jest pokazanie układu przestrzennego i przemian struktur drugorzędowych.

Ryż. 9 RÓŻNE WERSJE OBRAZU STRUKTURY BIAŁKA KRUSZONKI.
A to wzór strukturalny w obrazie przestrzennym.
B - konstrukcja w postaci trójwymiarowego modelu.
B jest trzeciorzędową strukturą cząsteczki.
G - połączenie opcji A i B.
E - uproszczony obraz struktury trzeciorzędowej.
E - struktura trzeciorzędowa z mostkami dwusiarczkowymi.

Najwygodniejsza do percepcji jest trójwymiarowa struktura trzeciorzędowa (wariant B), wolna od szczegółów wzoru strukturalnego.

Cząsteczka białka o strukturze trzeciorzędowej z reguły przyjmuje pewną konfigurację, którą tworzą oddziaływania polarne (elektrostatyczne) i wiązania wodorowe. W efekcie cząsteczka przybiera postać zwartej cewki - białek globularnych (globulek, lat. kulka) lub nitkowate - białka fibrylarne (fibra, lat. błonnik).

Przykładem struktury kulistej jest białko albuminy, do klasy albumin zalicza się białko kurze jajo. Polimerowy łańcuch albuminy składa się głównie z alaniny, kwasu asparaginowego, glicyny i cysteiny, naprzemiennie w określonej kolejności. Struktura trzeciorzędowa zawiera α-helisy połączone pojedynczymi łańcuchami (ryc. 10).

Ryż. dziesięć GLOBALNA STRUKTURA ALBUMIN

Przykładem struktury włóknistej jest białko fibroina. Zawierają dużą ilość reszt glicyny, alaniny i seryny (co druga reszta aminokwasowa to glicyna); brak resztek cysteiny zawierających grupy siarczkowe. Fibroina, główny składnik naturalnego jedwabiu i pajęczyn, zawiera struktury β połączone pojedynczymi łańcuchami (ryc. 11).

Ryż. jedenaście BIAŁKO WŁÓKNIĘTE FIBROIN

Możliwość utworzenia struktury trzeciorzędowej określonego typu jest nieodłączna w strukturze pierwszorzędowej białka, tj. określone z góry według kolejności naprzemienności reszt aminokwasowych. Z pewnych zestawów takich reszt powstają głównie α-helisy (jest ich dość dużo), inny zestaw prowadzi do pojawienia się struktur β, pojedyncze łańcuchy charakteryzują się swoim składem.

Niektóre cząsteczki białka, zachowując strukturę trzeciorzędową, są w stanie łączyć się w duże supramolekularne agregaty, podczas gdy są one utrzymywane razem przez oddziaływania polarne, a także wiązania wodorowe. Takie formacje nazywane są czwartorzędową strukturą białka. Na przykład białko ferrytyny, które składa się głównie z leucyny, kwasu glutaminowego, kwasu asparaginowego i histydyny (ferrycyna zawiera wszystkie 20 reszt aminokwasowych w różnych ilościach) tworzy trzeciorzędową strukturę czterech równolegle ułożonych α-helis. Po połączeniu cząsteczek w jeden zespół (ryc. 12) powstaje struktura czwartorzędowa, która może zawierać do 24 cząsteczek ferrytyny.

Rys.12 TWORZENIE STRUKTURY CZWARTORZĘDOWEJ FERRYTYNY KULARNEGO BIAŁKA

Innym przykładem formacji supramolekularnych jest budowa kolagenu. Jest to białko fibrylarne, którego łańcuchy zbudowane są głównie z glicyny naprzemiennie z proliną i lizyną. Struktura zawiera pojedyncze łańcuchy, potrójne α-helisy, naprzemiennie ze wstęgowymi strukturami β ułożonymi w równoległe wiązki (ryc. 13).

Rys.13 SUPRAMOLEKULARNA STRUKTURA BIAŁKA WŁÓKNISTEGO KOLAGENU

Właściwości chemiczne białek.

Pod wpływem rozpuszczalników organicznych produkty odpadowe niektórych bakterii (fermentacja kwasu mlekowego) lub wraz ze wzrostem temperatury struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe ulegają zniszczeniu bez uszkodzenia jego struktury pierwotnej, w wyniku czego białko traci rozpuszczalność i traci aktywność biologiczną, to proces nazywa się denaturacją, czyli utratą naturalnych właściwości, na przykład zsiadaniem się kwaśnego mleka, skoagulowanego białka ugotowanego jaja kurzego. Na podniesiona temperatura białka organizmów żywych (w szczególności mikroorganizmów) szybko ulegają denaturacji. Białka te nie są w stanie uczestniczyć w procesy biologiczne w rezultacie giną mikroorganizmy, więc gotowane (lub pasteryzowane) mleko może trwać dłużej.

Wiązania peptydowe H-N-C=O, tworzące łańcuch polimerowy cząsteczki białka, ulegają hydrolizie w obecności kwasów lub zasad, a łańcuch polimerowy pęka, co ostatecznie może prowadzić do powstania pierwotnych aminokwasów. Wiązania peptydowe zawarte w α-helisach lub strukturach β są bardziej odporne na hydrolizę i różne ataki chemiczne (w porównaniu do tych samych wiązań w pojedynczych łańcuchach). Delikatniejszy rozkład cząsteczki białka na aminokwasy składowe przeprowadza się w pożywce bezwodnej z użyciem hydrazyny H 2 N–NH 2, podczas gdy wszystkie fragmenty aminokwasów, poza ostatnim, tworzą tzw. hydrazydy kwasów karboksylowych fragment C(O)–HN–NH2 (ryc. 14).

Ryż. czternaście. POLIPEPTYDOWY DEKOLT

Taka analiza może dostarczyć informacji o składzie aminokwasowym białka, ale ważniejsza jest znajomość ich sekwencji w cząsteczce białka. Jedną z metod szeroko stosowanych w tym celu jest działanie izotiocyjanianu fenylu (FITC) na łańcuch polipeptydowy, który w środowisku alkalicznym przyłącza się do polipeptydu (od końca zawierającego grupę aminową) i gdy reakcja podłoża ulega zmianie do kwaśnego odrywa się od łańcucha, zabierając ze sobą fragment jednego aminokwasu (ryc. 15).

Ryż. piętnaście SEKWENCYJNY POLIPEPTYD

Do takiej analizy opracowano wiele specjalnych metod, w tym takie, które zaczynają „rozkładać” cząsteczkę białka na jej składniki składowe, zaczynając od końca karboksylowego.

Krzyżowe mostki dwusiarczkowe S-S (utworzone przez oddziaływanie reszt cysteiny, ryc. 2 i 9) są rozszczepiane, zamieniając je w grupy HS przez działanie różnych środków redukujących. Działanie środków utleniających (tlenu lub nadtlenku wodoru) ponownie prowadzi do powstania mostków dwusiarczkowych (ryc. 16).

Ryż. 16. Rozszczepienie mostków dwusiarczkowych

Aby utworzyć dodatkowe wiązania poprzeczne w białkach, użyj reaktywność grupy aminowe i karboksylowe. Bardziej dostępne dla różnych oddziaływań są grupy aminowe znajdujące się w bocznej ramie łańcucha – fragmenty lizyny, asparaginy, lizyny, proliny (tab. 1). Gdy takie grupy aminowe oddziałują z formaldehydem, zachodzi proces kondensacji i pojawiają się mostki krzyżowe –NH–CH2–NH– (rys. 17).

Ryż. 17 TWORZENIE DODATKOWYCH MOSTÓW POPRZECZNYCH POMIĘDZY CZĄSTECZKAMI BIAŁKOWYMI.

Końcowe grupy karboksylowe białka są zdolne do reagowania ze złożonymi związkami niektórych metali wielowartościowych (częściej stosuje się związki chromu), występują również wiązania poprzeczne. Oba procesy są stosowane w garbowaniu skór.

Rola białek w organizmie.

Rola białek w organizmie jest zróżnicowana.

Enzymy(fermentacja) lat. - fermentacja), ich inna nazwa to enzymy (en zumh grecki. - w drożdżach) - są to białka o aktywności katalitycznej, są w stanie tysiąckrotnie zwiększyć szybkość procesów biochemicznych. Pod wpływem enzymów składniki pożywienia: białka, tłuszcze i węglowodany - rozkładają się na więcej proste połączenia, z którego następnie syntetyzowane są nowe makrocząsteczki, niezbędne dla organizmu określonego typu. Enzymy biorą również udział w wielu biochemicznych procesach syntezy, na przykład w syntezie białek (niektóre białka pomagają w syntezie innych). Cm. ENZYMY

Enzymy są nie tylko wysokowydajnymi katalizatorami, ale także selektywnymi (kierują reakcję ściśle w zadanym kierunku). W ich obecności reakcja przebiega z prawie 100% wydajnością bez powstawania produktów ubocznych, a jednocześnie warunki przepływu są łagodne: normalne ciśnienie atmosferyczne i temperatura żywego organizmu. Dla porównania synteza amoniaku z wodoru i azotu w obecności aktywowanego katalizatora żelazowego prowadzona jest w temperaturze 400–500°C i pod ciśnieniem 30 MPa, wydajność amoniaku wynosi 15–25% na cykl. Enzymy są uważane za niezrównane katalizatory.

Intensywne badania nad enzymami rozpoczęły się w połowie XIX wieku, obecnie zbadano ponad 2000 różnych enzymów, jest to najbardziej zróżnicowana klasa białek.

Nazwy enzymów są następujące: nazwę odczynnika, z którym enzym oddziałuje, lub nazwę katalizowanej reakcji dodaje się z końcówką -aza, na przykład arginaza rozkłada argininę (tabela 1), dekarboksylaza katalizuje dekarboksylację, tj. eliminacja CO 2 z grupy karboksylowej:

– COOH → – CH + CO 2

Często, aby dokładniej wskazać rolę enzymu, w jego nazwie wskazuje się zarówno przedmiot, jak i rodzaj reakcji, na przykład dehydrogenaza alkoholowa jest enzymem odwodorniającym alkohole.

Dla niektórych enzymów odkrytych dość dawno zachowała się nazwa historyczna (bez końcówki -aza), np. pepsyna (pepsis, grecki. trawienie) i trypsyna (trypsis grecki. upłynnianie), enzymy te rozkładają białka.

W celu usystematyzowania enzymy łączy się w duże klasy, klasyfikacja opiera się na rodzaju reakcji, klasy są nazywane zgodnie z ogólną zasadą - nazwa reakcji i zakończenie - aza. Niektóre z tych klas są wymienione poniżej.

Oksydoreduktaza to enzymy, które katalizują reakcje redoks. Dehydrogenazy należące do tej klasy przeprowadzają przeniesienie protonów, na przykład dehydrogenaza alkoholowa (ADH) utlenia alkohole do aldehydów, późniejsze utlenianie aldehydów do kwasów karboksylowych jest katalizowane przez dehydrogenazy aldehydowe (ALDH). Oba procesy zachodzą w organizmie podczas przetwarzania etanolu na kwas octowy (ryc. 18).

Ryż. osiemnaście DWUSTOPNIOWE UTLENIANIE ETANOL do kwasu octowego

To nie etanol ma działanie narkotyczne, ale produkt pośredni, aldehyd octowy, im niższa aktywność enzymu ALDH, tym wolniej przechodzi drugi etap - utlenianie aldehydu octowego do kwasu octowego, a im dłuższy i silniejszy efekt odurzający po spożyciu etanolu. Analiza wykazała, że ​​ponad 80% przedstawicieli rasy żółtej ma stosunkowo niską aktywność ALDH, a co za tym idzie wyraźnie większą tolerancję na alkohol. Powodem tej wrodzonej zmniejszonej aktywności ALDH jest to, że część reszt kwasu glutaminowego w „atenuowanej” cząsteczce ALDH jest zastąpiona fragmentami lizyny (Tabela 1).

Transferazy- enzymy, które katalizują przenoszenie grup funkcyjnych, na przykład transiminaza katalizuje przenoszenie grupy aminowej.

Hydrolazy to enzymy katalizujące hydrolizę. Wspomniane wcześniej trypsyna i pepsyna hydrolizują wiązania peptydowe, a lipazy rozszczepiają wiązanie estrowe w tłuszczach:

–RC(O)OR 1 + H 2 O → –RC(O) OH + HOR 1

Liase- enzymy katalizujące reakcje zachodzące w sposób niehydrolityczny, w wyniku takich reakcji dochodzi do pęknięcia Połączenia C-C, C-O, C-N i tworzenie nowych wiązań. Do tej klasy należy enzym dekarboksylaza

Izomerazy- enzymy katalizujące izomeryzację, na przykład konwersję kwasu maleinowego do kwasu fumarowego (ryc. 19), jest to przykład izomeryzacji cis-trans (patrz ISOMERIA).

Ryż. 19. IZOMERIZACJA KWASU MALEINOWEGO w kwas fumarowy w obecności enzymu.

Obserwuje się pracę enzymów ogólna zasada, zgodnie z którym zawsze istnieje strukturalna zgodność między enzymem a odczynnikiem przyspieszonej reakcji. Według symbolicznego wyrażenia jednego z twórców doktryny enzymów, E. Fishera, odczynnik zbliża się do enzymu jak klucz do zamka. W związku z tym każdy enzym katalizuje pewną reakcję chemiczną lub grupę reakcji tego samego typu. Czasami enzym może działać na pojedynczy związek, taki jak ureaza (uron grecki. - mocz) katalizuje tylko hydrolizę mocznika:

(H 2 N) 2 C \u003d O + H 2 O \u003d CO 2 + 2NH 3

Najlepszą selektywność wykazują enzymy rozróżniające optycznie aktywne antypody - izomery lewoskrętne i prawoskrętne. L-arginaza działa tylko na lewoskrętną argininę i nie wpływa na izomer prawoskrętny. Dehydrogenaza L-mleczanowa działa tylko na lewoskrętne estry kwasu mlekowego tzw. mleczany (lactis lat. mleko), podczas gdy dehydrogenaza D-mleczanowa rozkłada tylko D-mleczany.

Większość enzymów działa nie na jeden, ale na grupę pokrewnych związków, na przykład trypsyna „preferuje” rozszczepianie wiązań peptydowych utworzonych przez lizynę i argininę (Tabela 1.)

O właściwościach katalitycznych niektórych enzymów, np. hydrolaz, decyduje wyłącznie struktura samej cząsteczki białka, inna klasa enzymów - oksydoreduktazy (np. dehydrogenaza alkoholowa) może być aktywna tylko w obecności cząsteczek niebiałkowych związanych z je - witaminy aktywujące Mg, Ca, Zn, Mn i fragmenty kwasów nukleinowych (ryc. 20).

Ryż. 20 CZĄSTECZKA DEHYDROGENAZY ALKOHOLD

Białka transportowe wiążą i transportują różne cząsteczki lub jony przez błony komórkowe (zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórki), a także z jednego organu do drugiego.

Na przykład hemoglobina wiąże tlen, gdy krew przechodzi przez płuca i dostarcza go do różnych tkanek ciała, gdzie tlen jest uwalniany, a następnie używany do utleniania składników żywności, proces ten służy jako źródło energii (czasami używa się terminu „spalanie” jedzenie w ciele).

Oprócz części białkowej hemoglobina zawiera złożony związek żelaza z cykliczną cząsteczką porfiryny (porfiry grecki. - fioletowy), który określa czerwony kolor krwi. To właśnie ten kompleks (ryc. 21, po lewej) pełni rolę nośnika tlenu. W hemoglobinie kompleks żelazowo-porfirynowy znajduje się wewnątrz cząsteczki białka i jest utrzymywany przez oddziaływania polarne, a także przez wiązanie koordynacyjne z azotem w histydynie (tabela 1), która jest częścią białka. Cząsteczka O2, która jest przenoszona przez hemoglobinę, jest połączona wiązaniem koordynacyjnym z atomem żelaza od strony przeciwnej do tej, do której przyłączona jest histydyna (ryc. 21, po prawej).

Ryż. 21 STRUKTURA KOMPLEKSU ŻELAZA

Struktura kompleksu przedstawiona jest po prawej stronie w postaci trójwymiarowego modelu. Kompleks jest utrzymywany w cząsteczce białka przez wiązanie koordynacyjne (przerywana niebieska linia) pomiędzy atomem Fe i atomem N w histydynie, która jest częścią białka. Cząsteczka O 2 niesiona przez hemoglobinę jest skoordynowana (czerwona przerywana linia) z atomem Fe z przeciwległego kraju kompleksu płaskiego.

Hemoglobina jest jednym z najlepiej przebadanych białek, składa się z a-helis połączonych pojedynczymi łańcuchami i zawiera cztery kompleksy żelaza. Zatem hemoglobina jest jak obszerny pakiet do przenoszenia czterech cząsteczek tlenu jednocześnie. Forma hemoglobiny odpowiada globularnym białkom (ryc. 22).

Ryż. 22 GLOBULARNA POSTAĆ HEMOGLOBINY

Główną „zaletą” hemoglobiny jest to, że dodawanie tlenu i jego późniejsze rozszczepianie podczas przenoszenia do różnych tkanek i narządów odbywa się szybko. Tlenek węgla, CO (tlenek węgla), jeszcze szybciej wiąże Fe w hemoglobinie, ale w przeciwieństwie do O 2 tworzy kompleks, który jest trudny do rozbicia. W efekcie taka hemoglobina nie jest w stanie wiązać O2, co prowadzi (wdychanie dużych ilości tlenku węgla) do śmierci organizmu przez uduszenie.

Drugą funkcją hemoglobiny jest przenoszenie wydychanego CO 2 , ale nie atom żelaza, ale H 2 grupy N białka uczestniczy w procesie czasowego wiązania dwutlenku węgla.

„Wydajność” białek zależy od ich struktury, na przykład zastąpienie jedynej reszty aminokwasowej kwasu glutaminowego w łańcuchu polipeptydowym hemoglobiny resztą waliny (rzadko obserwowana anomalia wrodzona) prowadzi do choroby zwanej anemią sierpowatą.

Istnieją również białka transportowe, które mogą wiązać tłuszcze, glukozę, aminokwasy i przenosić je zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórek.

Białka transportowe specjalnego typu nie przenoszą samych substancji, ale działają jako „regulator transportu”, przepuszczając określone substancje przez błonę (zewnętrzna ściana komórki). Takie białka są często nazywane białkami błonowymi. Mają kształt wydrążonego cylindra i będąc osadzone w ściance membrany, zapewniają ruch niektórych polarnych cząsteczek lub jonów do wnętrza komórki. Przykładem białka błonowego jest poryna (ryc. 23).

Ryż. 23 BIAŁKO PORIN

Białka pokarmowe i magazynujące, jak sama nazwa wskazuje, służą jako źródło pożywienia wewnętrznego, częściej dla zarodków roślin i zwierząt, a także we wczesnych stadiach rozwoju młodych organizmów. Białka dietetyczne obejmują albuminę (ryc. 10) - główny składnik białka jaja kurzego, a także kazeinę - główne białko mleka. Pod wpływem enzymu pepsyny kazeina ścina się w żołądku, co zapewnia jej zatrzymanie w przewodzie pokarmowym i sprawne wchłanianie. Kazeina zawiera fragmenty wszystkich aminokwasów potrzebnych organizmowi.

W ferrytynie (ryc. 12), która jest zawarta w tkankach zwierząt, magazynowane są jony żelaza.

Mioglobina jest również białkiem magazynującym, które swoim składem i strukturą przypomina hemoglobinę. Mioglobina jest skoncentrowana głównie w mięśniach, jej główną rolą jest magazynowanie tlenu, który dostarcza jej hemoglobina. Szybko nasyca się tlenem (znacznie szybciej niż hemoglobina), a następnie stopniowo przenosi go do różnych tkanek.

Białka strukturalne pełnią funkcję ochronną (skóra) lub podporową – spajają organizm i dodają mu siły (chrząstki i ścięgna). Ich głównym składnikiem jest fibrylarny kolagen białkowy (ryc. 11), najpowszechniejsze białko świata zwierzęcego, w organizmie ssaków, które stanowi prawie 30% całkowitej masy białek. Kolagen ma dużą wytrzymałość na rozciąganie (wytrzymałość skóry jest znana), ale ze względu na niską zawartość wiązań krzyżowych w kolagenie skóry, skóry zwierzęce w postaci surowej nie nadają się do wytwarzania różnych produktów. Aby zmniejszyć obrzęk skóry w wodzie, kurczenie się podczas suszenia, a także zwiększyć wytrzymałość w stanie nawodnionym i zwiększyć elastyczność w kolagenie, powstają dodatkowe wiązania poprzeczne (ryc. 15a), jest to tzw. proces garbowania skóry.

W organizmach żywych cząsteczki kolagenu, które powstały w procesie wzrostu i rozwoju organizmu, nie są aktualizowane i nie są zastępowane nowo syntetyzowanymi. Wraz ze starzeniem się organizmu zwiększa się liczba wiązań poprzecznych w kolagenie, co prowadzi do zmniejszenia jego elastyczności, a ponieważ nie następuje odnowa, pojawiają się zmiany związane z wiekiem - wzrost kruchości chrząstki i ścięgien, pojawienie się zmarszczki na skórze.

Więzadła stawowe zawierają elastynę, białko strukturalne, które łatwo rozciąga się w dwóch wymiarach. Największą elastyczność ma białko rezyliny, które u niektórych owadów znajduje się w miejscach zawiasowego mocowania skrzydeł.

Formacje rogowe - włosy, paznokcie, pióra, składające się głównie z białka keratynowego (ryc. 24). Jego główną różnicą jest zauważalna zawartość pozostałości cysteiny, które tworzą mostki dwusiarczkowe, co nadaje dużą elastyczność (zdolność do przywracania pierwotnego kształtu po deformacji) włosom, a także tkaninom wełnianym.

Ryż. 24. FRAGMENT BIAŁKA WŁÓKNISTEGO KERATYNY

Aby uzyskać nieodwracalną zmianę kształtu obiektu keratynowego, należy najpierw zniszczyć mostki dwusiarczkowe za pomocą środka redukującego, nadać mu nowy kształt, a następnie odtworzyć mostki dwusiarczkowe za pomocą środka utleniającego (ryc. 16), tak na przykład wykonuje się trwałą ondulację.

Wraz ze wzrostem zawartości pozostałości cysteiny w keratynie i odpowiednio wzrostem liczby mostków dwusiarczkowych zanika zdolność do deformacji, ale jednocześnie pojawia się wysoka wytrzymałość (rogi kopytnych i skorupy żółwia zawierają do 18% fragmentów cysteiny). Ssaki mają do 30 różnych rodzajów keratyny.

Fibrylarna fibroina związana z keratyną, wydzielana przez gąsienice jedwabników podczas zwijania kokonu, a także przez pająki podczas tkania sieci, zawiera tylko struktury β połączone pojedynczymi łańcuchami (ryc. 11). W przeciwieństwie do keratyny, fibroina nie ma poprzecznych mostków dwusiarczkowych, ma bardzo dużą wytrzymałość na rozciąganie (wytrzymałość na jednostkę przekroju poprzecznego niektórych próbek wstęgi jest wyższa niż w przypadku kabli stalowych). Ze względu na brak usieciowań fibroina jest nieelastyczna (wiadomo, że tkaniny wełniane są prawie nieusuwalne, a tkaniny jedwabne łatwo się marszczą).

białka regulatorowe.

Białka regulatorowe, częściej nazywane hormonami, biorą udział w różnych procesach fizjologicznych. Na przykład hormon insulina (ryc. 25) składa się z dwóch łańcuchów α połączonych mostkami dwusiarczkowymi. insulina reguluje procesy metaboliczne przy udziale glukozy jej brak prowadzi do cukrzycy.

Ryż. 25 INSULINA BIAŁKOWA

Przysadka mózgowa syntetyzuje hormon regulujący wzrost organizmu. Istnieją białka regulatorowe, które kontrolują biosyntezę różnych enzymów w organizmie.

Białka kurczliwe i ruchowe dają organizmowi możliwość kurczenia się, zmiany kształtu i ruchu, przede wszystkim mówimy o mięśniach. 40% masy wszystkich białek zawartych w mięśniach to miozyna (mys, myos, grecki. - mięśnie). Jego cząsteczka zawiera zarówno część włóknistą, jak i kulistą (ryc. 26)

Ryż. 26 CZĄSTECZKA MIOZYNY

Takie cząsteczki łączą się w duże agregaty zawierające 300-400 cząsteczek.

Gdy stężenie jonów wapnia zmienia się w przestrzeni otaczającej włókna mięśniowe, następuje odwracalna zmiana konformacji cząsteczek - zmiana kształtu łańcucha na skutek rotacji poszczególnych fragmentów wokół wiązań walencyjnych. Prowadzi to do skurczu i rozluźnienia mięśni, sygnał do zmiany stężenia jonów wapnia pochodzi z zakończeń nerwowych we włóknach mięśniowych. Sztuczne skurcze mięśni mogą być spowodowane działaniem impulsów elektrycznych, prowadzących do gwałtownej zmiany stężenia jonów wapnia, jest to podstawa do stymulacji mięśnia sercowego do przywrócenia pracy serca.

Białka ochronne pozwalają chronić organizm przed inwazją atakujących bakterii, wirusów oraz przed wnikaniem obcych białek (uogólniona nazwa ciał obcych to antygeny). Rolę białek ochronnych pełnią immunoglobuliny (inna ich nazwa to przeciwciała), rozpoznają antygeny, które przeniknęły do ​​organizmu i mocno się z nimi wiążą. W organizmie ssaków, w tym człowieka, występuje pięć klas immunoglobulin: M, G, A, D i E, ich budowa, jak sama nazwa wskazuje, jest kulista, ponadto wszystkie są zbudowane w podobny sposób. Organizację molekularną przeciwciał pokazano poniżej na przykładzie immunoglobuliny klasy G (ryc. 27). Cząsteczka zawiera cztery łańcuchy polipeptydowe połączone trzema mostkami dwusiarczkowymi S-S (na Rys. 27 pokazano je z pogrubionymi wiązaniami walencyjnymi i dużymi symbolami S), ponadto każdy łańcuch polimerowy zawiera wewnątrzłańcuchowe mostki dwusiarczkowe. Dwa duże łańcuchy polimerowe (podświetlone na niebiesko) zawierają 400-600 reszt aminokwasowych. Dwa inne łańcuchy (podświetlone w zielonym) są prawie o połowę krótsze i zawierają około 220 reszt aminokwasowych. Wszystkie cztery łańcuchy są umieszczone w taki sposób, że końcowe grupy H2N są skierowane w jednym kierunku.

Ryż. 27 SCHEMAT RYSUNKU STRUKTURY IMMUNOGLOBULIN

Po zetknięciu się organizmu z obcym białkiem (antygenem) komórki układu odpornościowego zaczynają wytwarzać immunoglobuliny (przeciwciała), które gromadzą się w surowicy krwi. W pierwszym etapie główna praca jest wykonywana przez odcinki łańcucha zawierające zacisk H 2 N (na rys. 27 odpowiednie odcinki są oznaczone kolorem jasnoniebieskim i jasnozielonym). To są miejsca wychwytywania antygenu. W procesie syntezy immunoglobulin miejsca te powstają w taki sposób, aby ich struktura i konfiguracja jak najbardziej odpowiadały strukturze zbliżającego się antygenu (jak klucz do zamka, jak enzymy, ale zadania w tym przypadku to: różne). Tak więc dla każdego antygenu, jako odpowiedź immunologiczna, tworzone jest ściśle indywidualne przeciwciało. Żadne znane białko nie może zmienić swojej struktury tak „plastycznie” w zależności od czynników zewnętrznych, poza immunoglobulinami. Enzymy rozwiązują problem strukturalnej zgodności z odczynnikiem w inny sposób - przy pomocy gigantycznego zestawu różnych enzymów na wszystkie możliwe przypadki, a immunoglobuliny każdorazowo odbudowują „narzędzie pracy”. Ponadto region zawiasowy immunoglobuliny (ryc. 27) zapewnia dwóm regionom wychwytu pewną niezależną mobilność, w wyniku czego cząsteczka immunoglobuliny może natychmiast „znaleźć” dwa najdogodniejsze regiony do wychwytywania w antygenie w celu bezpiecznego zamocowania to przypomina działania stworzenia skorupiaków.

Następnie włącza się łańcuch kolejnych reakcji układu odpornościowego organizmu, łączy się immunoglobuliny innych klas, w wyniku czego obce białko zostaje dezaktywowane, a następnie antygen (obcy mikroorganizm lub toksyna) zostaje zniszczony i usunięty.

Po kontakcie z antygenem maksymalne stężenie immunoglobuliny (w zależności od charakteru antygenu i indywidualnych cech samego organizmu) osiągane jest w ciągu kilku godzin (czasami kilku dni). Organizm zachowuje pamięć o takim kontakcie, a po ponownym zaatakowaniu tym samym antygenem immunoglobuliny gromadzą się w surowicy znacznie szybciej iw większych ilościach - pojawia się odporność nabyta.

Powyższa klasyfikacja białek jest w pewnym stopniu warunkowa, na przykład białko trombiny, wymieniane wśród białek ochronnych, jest zasadniczo enzymem katalizującym hydrolizę wiązań peptydowych, czyli należy do klasy proteaz.

Białka ochronne są często nazywane białkami jadu węża oraz białkami toksycznymi niektórych roślin, ponieważ ich zadaniem jest ochrona organizmu przed uszkodzeniem.

Istnieją białka, których funkcje są tak wyjątkowe, że trudno je sklasyfikować. Na przykład białko monellina, znaleziona w afrykańskiej roślinie, ma bardzo słodki smak i była przedmiotem badań jako nietoksyczna substancja, którą można stosować zamiast cukru w ​​celu zapobiegania otyłości. Osocze krwi niektórych ryb antarktycznych zawiera białka o właściwościach przeciw zamarzaniu, które zapobiegają zamarzaniu krwi tych ryb.

Sztuczna synteza białek.

Kondensacja aminokwasów prowadząca do łańcucha polipeptydowego jest dobrze zbadanym procesem. Możliwe jest na przykład przeprowadzenie kondensacji dowolnego aminokwasu lub mieszaniny kwasów i otrzymanie, odpowiednio, polimeru zawierającego te same jednostki lub różne jednostki, naprzemiennie w przypadkowej kolejności. Takie polimery w niewielkim stopniu przypominają naturalne polipeptydy i nie wykazują aktywności biologicznej. Głównym zadaniem jest łączenie aminokwasów w ściśle określonej, wcześniej zaplanowanej kolejności w celu odtworzenia sekwencji reszt aminokwasowych w naturalnych białkach. Amerykański naukowiec Robert Merrifield zaproponował oryginalną metodę, która umożliwiła rozwiązanie takiego problemu. Istotą metody jest przyłączenie pierwszego aminokwasu do nierozpuszczalnego żelu polimerowego zawierającego grupy reaktywne, które mogą łączyć się z grupami –COOH – aminokwasu. Jako taki polimerowy substrat przyjęto usieciowany polistyren z wprowadzonymi do niego grupami chlorometylowymi. Aby aminokwas wzięty do reakcji nie reagował sam ze sobą i nie łączył grupy H2N z substratem, grupa aminowa tego kwasu jest wstępnie blokowana obszernym podstawnikiem [(C4H 9) 3] 3 OS (O) -grupa. Po przyłączeniu aminokwasu do nośnika polimerycznego, grupa blokująca jest usuwana i do mieszaniny reakcyjnej wprowadzany jest kolejny aminokwas, w której grupa H2N jest również wcześniej zablokowana. W takim układzie możliwe jest jedynie oddziaływanie grupy H 2 N pierwszego aminokwasu i grupy –COOH drugiego kwasu, które odbywa się w obecności katalizatorów (sole fosfoniowe). Następnie cały schemat się powtarza, wprowadzając trzeci aminokwas (ryc. 28).

Ryż. 28. SCHEMAT SYNTEZY ŁAŃCUCHÓW POLIPEPTYDOWYCH

W ostatnim etapie powstałe łańcuchy polipeptydowe oddziela się od nośnika polistyrenowego. Teraz cały proces jest zautomatyzowany, istnieją automatyczne syntezatory peptydów, które działają zgodnie z opisanym schematem. Metodą tą zsyntetyzowano wiele peptydów stosowanych w medycynie i rolnictwie. Udało się również uzyskać ulepszone analogi naturalnych peptydów o selektywnym i wzmocnionym działaniu. Zsyntetyzowano niektóre małe białka, takie jak hormon insulina i niektóre enzymy.

Istnieją również metody syntezy białek, które replikują naturalne procesy: syntetyzują fragmenty kwasów nukleinowych skonfigurowane do produkcji określonych białek, następnie te fragmenty wprowadza się do żywego organizmu (np. do bakterii), po czym organizm zaczyna wytwarzać pożądane białko. W ten sposób uzyskuje się obecnie znaczne ilości trudno dostępnych białek i peptydów, a także ich analogów.

Białka jako źródła pożywienia.

Białka w żywym organizmie są nieustannie rozkładane na swoje pierwotne aminokwasy (z niezbędnym udziałem enzymów), jedne aminokwasy przechodzą w inne, następnie białka są ponownie syntetyzowane (również z udziałem enzymów), tj. ciało ciągle się odnawia. Niektóre białka (kolagen skóry, włosów) nie są odnawiane, organizm nieustannie je traci, a zamiast tego syntetyzuje nowe. Białka jako źródła pożywienia pełnią dwie główne funkcje: dostarczają organizmowi materiał konstrukcyjny do syntezy nowych cząsteczek białka i dodatkowo dostarczają organizmowi energii (źródła kalorii).

Ssaki mięsożerne (w tym ludzie) otrzymują niezbędne białka z pokarmów roślinnych i zwierzęcych. Żadne z białek pozyskiwanych z pożywienia nie jest integrowane z organizmem w niezmienionej formie. W przewodzie pokarmowym wszystkie wchłonięte białka rozkładane są na aminokwasy, a białka niezbędne dla danego organizmu są już z nich zbudowane, natomiast pozostałe 12 można zsyntetyzować z 8 niezbędnych kwasów (tab. 1) w organizmie, jeśli ich nie ma dostarczane w wystarczających ilościach z pożywieniem, ale niezbędne kwasy muszą być bezwzględnie dostarczane z pożywieniem. Atomy siarki w cysteinie pozyskiwane są przez organizm z niezbędnym aminokwasem metioniną. Część białek ulega rozkładowi, uwalniając energię niezbędną do utrzymania życia, a zawarty w nich azot jest wydalany z organizmu wraz z moczem. Zazwyczaj organizm ludzki traci 25-30 g białka dziennie, dlatego pokarmy białkowe muszą być zawsze obecne w odpowiedniej ilości. Minimalne dzienne zapotrzebowanie na białko to 37 g dla mężczyzn i 29 g dla kobiet, ale zalecane spożycie jest prawie dwukrotnie wyższe. Podczas oceny żywności ważne jest, aby wziąć pod uwagę jakość białka. W przypadku braku lub niskiej zawartości aminokwasów egzogennych, białko uważane jest za mało wartościowe, dlatego takie białka powinny być spożywane w większych ilościach. Tak więc białka roślin strączkowych zawierają mało metioniny, a białka pszenicy i kukurydzy zawierają mało lizyny (oba aminokwasy są niezbędne). Białka zwierzęce (z wyjątkiem kolagenu) są klasyfikowane jako pełnoporcjowa żywność. Kompletny zestaw wszystkich niezbędnych kwasów zawiera kazeinę mleczną, a także twarożek i sery z niej przygotowane, a więc dieta wegetariańska, jeśli jest bardzo rygorystyczna, tj. „bezmleczny”, wymaga zwiększonego spożycia roślin strączkowych, orzechów i grzybów, aby dostarczyć organizmowi niezbędnych aminokwasów w odpowiedniej ilości.

Syntetyczne aminokwasy i białka są również używane jako produkty spożywcze, dodając je do paszy, która zawiera aminokwasy egzogenne w niewielkich ilościach. Istnieją bakterie, które potrafią przetwarzać i przyswajać węglowodory olejowe, w tym przypadku do pełnej syntezy białek muszą być karmione związkami zawierającymi azot (amoniak lub azotany). Uzyskane w ten sposób białko wykorzystywane jest jako pasza dla bydła i drobiu. Do pasz często dodawany jest zestaw enzymów, karbohydrazy, które katalizują hydrolizę trudno rozkładających się węglowodanowych składników pokarmowych (ściany komórkowe roślin zbożowych), dzięki czemu pokarmy roślinne są lepiej przyswajalne.

Michaił Lewicki

BIAŁKA (Artykuł 2)

(białka), klasa złożonych związków zawierających azot, najbardziej charakterystycznych i ważnych (wraz z kwasami nukleinowymi) składników żywej materii. Białka pełnią wiele różnorodnych funkcji. Większość białek to enzymy, które katalizują reakcje chemiczne. Wiele hormonów regulujących procesy fizjologiczne to także białka. Głównymi składnikami są białka strukturalne, takie jak kolagen i keratyna tkanka kostna, włosy i paznokcie. Białka kurczliwe mięśni mają zdolność do zmiany swojej długości, wykorzystując energię chemiczną do wykonywania pracy mechanicznej. Białka to przeciwciała, które wiążą i neutralizują substancje toksyczne. Niektóre białka, które mogą reagować na wpływy zewnętrzne (światło, zapach), służą jako receptory w narządach zmysłów, które odczuwają podrażnienie. Wiele białek znajdujących się wewnątrz komórki i na błonie komórkowej pełni funkcje regulacyjne.

W pierwszej połowie XIX wieku wielu chemików, a wśród nich przede wszystkim J. von Liebig, stopniowo dochodziło do wniosku, że białka są szczególną klasą związków azotowych. Nazwę „białka” (od greckiego protos – pierwszy) zaproponował w 1840 roku holenderski chemik G. Mulder.

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE

Białka w stanie stałym biały kolor, i są bezbarwne w roztworze, chyba że zawierają pewną grupę chromoforową (kolorową), taką jak hemoglobina. Rozpuszczalność w wodzie różnych białek jest bardzo zróżnicowana. Zmienia się również w zależności od pH i stężenia soli w roztworze, dzięki czemu można wybrać warunki, w których jedno białko będzie selektywnie wytrącać się w obecności innych białek. Ta metoda „wysalania” jest szeroko stosowana do izolowania i oczyszczania białek. Oczyszczone białko często wytrąca się z roztworu w postaci kryształów.

W porównaniu z innymi związkami masa cząsteczkowa białek jest bardzo duża – od kilku tysięcy do wielu milionów daltonów. Dlatego podczas ultrawirowania białka wytrącają się, a ponadto w różnym tempie. Ze względu na obecność dodatnio i ujemnie naładowanych grup w cząsteczkach białka poruszają się z różnymi prędkościami w polu elektrycznym. To podstawa elektroforezy, metody stosowanej do izolowania poszczególnych białek ze złożonych mieszanin. Oczyszczanie białek prowadzi się również metodą chromatografii.

WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE

Struktura.

Białka to polimery, tj. cząsteczki zbudowane jak łańcuchy z powtarzających się jednostek monomerowych, czyli podjednostek, w których rolę odgrywają alfa-aminokwasy. Ogólna formuła aminokwasów

gdzie R oznacza atom wodoru lub pewną grupę organiczną.

Cząsteczka białka (łańcuch polipeptydowy) może składać się tylko ze stosunkowo niewielkiej liczby aminokwasów lub kilku tysięcy jednostek monomerowych. Połączenie aminokwasów w łańcuch jest możliwe, ponieważ każdy z nich posiada dwie różne grupy chemiczne: grupę aminową o zasadowych właściwościach NH2 oraz kwasową grupę karboksylową COOH. Obie te grupy są przyłączone do atomu węgla. Grupa karboksylowa jednego aminokwasu może tworzyć wiązanie amidowe (peptydowe) z grupą aminową innego aminokwasu:

Po połączeniu w ten sposób dwóch aminokwasów łańcuch można wydłużyć, dodając trzeci do drugiego aminokwasu i tak dalej. Jak widać z powyższego równania, gdy tworzy się wiązanie peptydowe, uwalniana jest cząsteczka wody. W obecności kwasów, zasad lub enzymów proteolitycznych reakcja przebiega w odwrotnym kierunku: łańcuch polipeptydowy rozszczepia się na aminokwasy z dodatkiem wody. Ta reakcja nazywana jest hydrolizą. Hydroliza przebiega spontanicznie i do połączenia aminokwasów w łańcuch polipeptydowy potrzebna jest energia.

Grupa karboksylowa i grupa amidowa (lub podobna do niej grupa imidowa - w przypadku aminokwasu proliny) występują we wszystkich aminokwasach, natomiast różnice między aminokwasami determinowane są charakterem tej grupy, czyli tzw. łańcucha”, co wskazano powyżej literą R. Rolę łańcucha bocznego może pełnić jeden atom wodoru, taki jak aminokwas glicyna, oraz pewne duże ugrupowania, takie jak histydyna i tryptofan. Niektóre łańcuchy boczne są chemicznie obojętne, podczas gdy inne są wysoce reaktywne.

Można zsyntetyzować wiele tysięcy różnych aminokwasów, a w przyrodzie występuje wiele różnych aminokwasów, ale tylko 20 rodzajów aminokwasów jest wykorzystywanych do syntezy białek: alanina, arginina, asparagina, kwas asparaginowy, walina, histydyna, glicyna, glutamina, glutamina kwas, izoleucyna, leucyna, lizyna, metionina, prolina, seryna, tyrozyna, treonina, tryptofan, fenyloalanina i cysteina (w białkach cysteina może występować jako dimer – cystyna). To prawda, że ​​w niektórych białkach oprócz regularnie występujących dwudziestu znajdują się inne aminokwasy, ale powstają one w wyniku modyfikacji któregokolwiek z dwudziestu wymienionych po dołączeniu do białka.

aktywność optyczna.

Wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem glicyny, mają cztery różne grupy przyłączone do atomu węgla α. Jeśli chodzi o geometrię, cztery różne grupy mogą być przyłączone na dwa sposoby, a zatem możliwe są dwie konfiguracje, czyli dwa izomery, powiązane ze sobą jako obiekt do jego lustrzanego odbicia, tj. Jak lewa ręka w prawo. Jedna konfiguracja nazywana jest lewoskrętną lub lewoskrętną (L), a drugą prawoskrętną lub prawoskrętną (D), ponieważ te dwa izomery różnią się kierunkiem obrotu płaszczyzny światła spolaryzowanego. W białkach występują tylko L-aminokwasy (wyjątkiem jest glicyna; może być reprezentowana tylko w jednej postaci, ponieważ dwie z jej czterech grup są takie same) i wszystkie mają aktywność optyczną (ponieważ istnieje tylko jeden izomer). D-aminokwasy są rzadkie w przyrodzie; znajdują się w niektórych antybiotykach i ścianie komórkowej bakterii.

Sekwencja aminokwasów.

Aminokwasy w łańcuchu polipeptydowym nie są ułożone losowo, ale w pewnej ustalonej kolejności i to ta kolejność determinuje funkcje i właściwości białka. Zmieniając kolejność 20 rodzajów aminokwasów, możesz uzyskać ogromną liczbę różnych białek, tak jak możesz stworzyć wiele różnych tekstów z liter alfabetu.

W przeszłości określenie sekwencji aminokwasowej białka często zajmowało kilka lat. Określanie bezpośrednie jest nadal dość pracochłonnym zadaniem, chociaż stworzono urządzenia, które pozwalają na jego automatyczne przeprowadzenie. Zazwyczaj łatwiej jest określić sekwencję nukleotydową odpowiedniego genu i wyprowadzić z niej sekwencję aminokwasową białka. Do tej pory określono już sekwencje aminokwasowe wielu setek białek. Funkcje odkodowanych białek są zwykle znane, co pomaga wyobrazić sobie możliwe funkcje podobnych białek powstających np. w nowotworach złośliwych.

Złożone białka.

Białka składające się tylko z aminokwasów nazywane są prostymi. Często jednak atom metalu lub jakiś związek chemiczny, który nie jest aminokwasem, jest przyłączony do łańcucha polipeptydowego. Takie białka nazywane są złożonymi. Przykładem jest hemoglobina: zawiera porfirynę żelaza, która nadaje jej czerwony kolor i pozwala działać jako nośnik tlenu.

Nazwy najbardziej złożonych białek zawierają wskazanie charakteru przyłączonych grup: cukry są obecne w glikoproteinach, tłuszcze w lipoproteinach. Jeśli aktywność katalityczna enzymu zależy od dołączonej grupy, to nazywa się to grupą protetyczną. Często jakaś witamina pełni rolę grupy protetycznej lub jest jej częścią. Na przykład witamina A, dołączona do jednego z białek siatkówki, determinuje jej wrażliwość na światło.

Struktura trzeciorzędowa.

Ważna jest nie tyle sekwencja aminokwasowa białka (struktura pierwotna), ile sposób jej ułożenia w przestrzeni. Na całej długości łańcucha polipeptydowego jony wodorowe tworzą regularne wiązania wodorowe, które nadają mu kształt spirali lub warstwy (struktura wtórna). Z połączenia takich helis i warstw powstaje zwarta forma następnego rzędu - trzeciorzędowa struktura białka. Wokół wiązań utrzymujących monomeryczne ogniwa łańcucha możliwe są rotacje pod małymi kątami. Dlatego z czysto geometrycznego punktu widzenia liczba możliwych konfiguracji dla dowolnego łańcucha polipeptydowego jest nieskończenie duża. W rzeczywistości każde białko normalnie istnieje tylko w jednej konfiguracji, określonej przez jego sekwencję aminokwasową. Ta konstrukcja nie jest sztywna, wydaje się „oddychać” – oscyluje wokół pewnej przeciętnej konfiguracji. Łańcuch składa się do konfiguracji, w której energia swobodna (zdolność do wykonania pracy) jest minimalna, tak jak zwolniona sprężyna jest ściskana tylko do stanu odpowiadającego minimum energii swobodnej. Często jedna część łańcucha jest sztywno połączona z drugą wiązaniami dwusiarczkowymi (–S–S–) między dwiema resztami cysteiny. Między innymi dlatego cysteina wśród aminokwasów odgrywa szczególnie ważną rolę.

Złożoność struktury białek jest tak duża, że ​​nie jest jeszcze możliwe obliczenie trzeciorzędowej struktury białka, nawet jeśli znana jest jego sekwencja aminokwasowa. Ale jeśli możliwe jest uzyskanie kryształów białka, to jego trzeciorzędową strukturę można określić za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej.

W białkach strukturalnych, kurczliwych i niektórych innych, łańcuchy są wydłużone, a kilka lekko pofałdowanych łańcuchów leżących obok siebie tworzy włókienka; fibryle z kolei składają się na większe formacje - włókna. Jednak większość białek w roztworze jest kulista: łańcuchy są zwinięte w kulkę, jak przędza w kulce. Energia swobodna przy tej konfiguracji jest minimalna, ponieważ aminokwasy hydrofobowe („odpychające wodę”) są ukryte wewnątrz kulki, a hydrofilowe („przyciągające wodę”) znajdują się na jej powierzchni.

Wiele białek to kompleksy kilku łańcuchów polipeptydowych. Ta struktura nazywana jest czwartorzędową strukturą białka. Na przykład cząsteczka hemoglobiny składa się z czterech podjednostek, z których każda jest białkiem kulistym.

Białka strukturalne ze względu na swoją liniową konfigurację tworzą włókna, w których wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo wysoka, natomiast konfiguracja globularna umożliwia białkom wchodzenie w specyficzne interakcje z innymi związkami. Na powierzchni kulki, przy prawidłowym ułożeniu łańcuchów, pojawiają się wnęki o określonym kształcie, w których znajdują się reaktywne grupy chemiczne. Jeśli to białko jest enzymem, to inna, zwykle mniejsza, cząsteczka jakiejś substancji wchodzi do takiej wnęki, tak jak klucz wchodzi do zamka; w tym przypadku konfiguracja chmury elektronowej cząsteczki zmienia się pod wpływem grup chemicznych znajdujących się we wnęce, a to zmusza ją do reakcji w określony sposób. W ten sposób enzym katalizuje reakcję. Cząsteczki przeciwciał mają również wnęki, w których wiążą się różne obce substancje, przez co stają się nieszkodliwe. Model „key and lock”, który wyjaśnia oddziaływanie białek z innymi związkami, pozwala zrozumieć specyfikę enzymów i przeciwciał, tj. ich zdolność do reagowania tylko z niektórymi związkami.

Białka w różnych typach organizmów.

Białka, które pełnią tę samą funkcję w różne rodzaje rośliny i zwierzęta, a więc noszące tę samą nazwę, mają podobną konfigurację. Różnią się jednak nieco sekwencją aminokwasową. Ponieważ gatunki odbiegają od wspólnego przodka, niektóre aminokwasy w pewnych pozycjach są zastępowane mutacjami z innymi. Szkodliwe mutacje, które powodują choroby dziedziczne, są odrzucane przez dobór naturalny, ale korzystne lub przynajmniej neutralne mogą być zachowane. Im bliżej siebie znajdują się dwa gatunki biologiczne, tym mniej różnic występuje w ich białkach.

Niektóre białka zmieniają się stosunkowo szybko, inne są dość konserwatywne. Te ostatnie obejmują na przykład cytochrom c, enzym oddechowy występujący w większości żywych organizmów. U ludzi i szympansów jego sekwencje aminokwasowe są identyczne, podczas gdy w cytochromie c pszenicy tylko 38% aminokwasów okazało się odmienne. Nawet porównując ludzi i bakterie, podobieństwo cytochromów do (różnice dotyczą 65% aminokwasów) nadal można zauważyć, chociaż wspólny przodek bakterii i ludzi żył na Ziemi około dwóch miliardów lat temu. W dzisiejszych czasach porównywanie sekwencji aminokwasowych jest często wykorzystywane do budowy drzewa filogenetycznego (genealogicznego), które odzwierciedla ewolucyjne relacje między różnymi organizmami.

Denaturacja.

Zsyntezowana cząsteczka białka, zwijając się, nabiera własnej konfiguracji. Ta konfiguracja może jednak zostać zniszczona przez ogrzewanie, zmianę pH, działanie rozpuszczalników organicznych, a nawet po prostu mieszanie roztworu, aż na jego powierzchni pojawią się bąbelki. Zmienione w ten sposób białko nazywa się denaturowanym; traci aktywność biologiczną i zwykle staje się nierozpuszczalny. Dobrze znane przykłady denaturowanego białka - gotowane jajka lub bita śmietana. Małe białka, zawierające tylko około stu aminokwasów, są zdolne do renaturacji, tj. odzyskać oryginalną konfigurację. Ale większość białek jest po prostu przekształcana w masę splątanych łańcuchów polipeptydowych i nie przywraca ich poprzedniej konfiguracji.

Jedną z głównych trudności w izolowaniu aktywnych białek jest ich ekstremalna wrażliwość na denaturację. Ta właściwość białek znajduje zastosowanie w konserwacji żywności: ciepło nieodwracalnie denaturuje enzymy mikroorganizmów, a mikroorganizmy umierają.

SYNTEZA BIAŁEK

Do syntezy białek żywy organizm musi mieć system enzymów zdolnych do przyłączania jednego aminokwasu do drugiego. Potrzebne jest również źródło informacji, które określiłoby, które aminokwasy należy połączyć. Ponieważ w organizmie istnieją tysiące rodzajów białek, a każde z nich składa się średnio z kilkuset aminokwasów, wymagane informacje muszą być naprawdę ogromne. Jest przechowywany (podobnie jak zapis na taśmie magnetycznej) w cząsteczkach kwasu nukleinowego, które tworzą geny.

Aktywacja enzymatyczna.

Łańcuch polipeptydowy zsyntetyzowany z aminokwasów nie zawsze jest białkiem w swojej ostatecznej postaci. Wiele enzymów jest najpierw syntetyzowanych jako nieaktywne prekursory i stają się aktywne dopiero wtedy, gdy inny enzym usunie kilka aminokwasów z jednego końca łańcucha. Niektóre z enzymów trawiennych, takie jak trypsyna, są syntetyzowane w tej nieaktywnej formie; enzymy te są aktywowane w przewodzie pokarmowym w wyniku usunięcia końcowego fragmentu łańcucha. Hormon insuliny, którego cząsteczka w swojej aktywnej postaci składa się z dwóch krótkich łańcuchów, jest syntetyzowany w postaci pojedynczego łańcucha, tzw. proinsulina. Następnie środkowa część tego łańcucha zostaje usunięta, a pozostałe fragmenty łączą się ze sobą, tworząc aktywną cząsteczkę hormonu. Białka złożone powstają dopiero po przyłączeniu pewnej grupy chemicznej do białka, a to przyłączenie często wymaga również enzymu.

Krążenie metaboliczne.

Po nakarmieniu zwierzęcia aminokwasami znakowanymi radioaktywnymi izotopami węgla, azotu lub wodoru, znak ten jest szybko włączany do jego białek. Jeśli znakowane aminokwasy przestają wnikać do organizmu, to ilość znakowanych aminokwasów w białkach zaczyna się zmniejszać. Eksperymenty te pokazują, że powstałe białka nie są przechowywane w organizmie do końca życia. Wszystkie z nielicznymi wyjątkami są w stanie dynamicznym, stale rozkładają się na aminokwasy, a następnie ponownie syntetyzują.

Niektóre białka rozkładają się, gdy komórki umierają i ulegają zniszczeniu. Dzieje się tak cały czas, na przykład z czerwonymi krwinkami i komórkami nabłonkowymi wyścielającymi wewnętrzną powierzchnię jelita. Ponadto w żywych komórkach dochodzi również do rozpadu i resyntezy białek. Co dziwne, mniej wiadomo o rozpadzie białek niż o ich syntezie. Jasne jest jednak, że w rozpadzie biorą udział enzymy proteolityczne, podobnie jak te, które rozkładają białka na aminokwasy w przewodzie pokarmowym.

Okres półtrwania różnych białek jest różny – od kilku godzin do wielu miesięcy. Jedynym wyjątkiem są cząsteczki kolagenu. Po uformowaniu pozostają stabilne i nie są odnawiane ani wymieniane. Z czasem jednak niektóre ich właściwości, w szczególności elastyczność, ulegają zmianie, a ponieważ nie są odnawiane, wynikają z tego pewne zmiany związane z wiekiem, na przykład pojawienie się zmarszczek na skórze.

białka syntetyczne.

Chemicy już dawno nauczyli się polimeryzować aminokwasy, ale aminokwasy łączą się losowo, więc produkty takiej polimeryzacji niewiele przypominają naturalne. To prawda, że ​​możliwe jest łączenie aminokwasów w określonej kolejności, co umożliwia otrzymanie niektórych biologicznie aktywnych białek, w szczególności insuliny. Proces jest dość skomplikowany i w ten sposób można uzyskać tylko te białka, których cząsteczki zawierają około stu aminokwasów. Zamiast tego korzystne jest zsyntetyzowanie lub wyizolowanie sekwencji nukleotydowej genu odpowiadającej pożądanej sekwencji aminokwasowej, a następnie wprowadzenie tego genu do bakterii, która wytworzy przez replikację dużą ilość pożądanego produktu. Ta metoda ma jednak również swoje wady.

BIAŁKA I ODŻYWIANIE

Kiedy białka w organizmie są rozkładane na aminokwasy, aminokwasy te mogą być ponownie użyte do syntezy białek. Jednocześnie same aminokwasy ulegają rozkładowi, przez co nie są w pełni wykorzystywane. Oczywiste jest również, że podczas wzrostu, ciąży i gojenia się ran synteza białek musi przewyższać degradację. Ciało stale traci niektóre białka; są to proteiny włosów, paznokci i powierzchniowej warstwy skóry. Dlatego do syntezy białek każdy organizm musi otrzymywać aminokwasy z pożywienia.

Źródła aminokwasów.

Rośliny zielone syntetyzują wszystkie 20 aminokwasów znajdujących się w białkach z CO2, wody i amoniaku lub azotanów. Wiele bakterii jest również w stanie syntetyzować aminokwasy w obecności cukru (lub jego odpowiednika) i związanego azotu, ale ostatecznie cukier jest dostarczany przez rośliny zielone. U zwierząt zdolność do syntezy aminokwasów jest ograniczona; pozyskują aminokwasy jedząc zielone rośliny lub inne zwierzęta. W przewodzie pokarmowym wchłonięte białka rozkładane są na aminokwasy, te ostatnie są wchłaniane, az nich zbudowane są białka charakterystyczne dla danego organizmu. Żadne z wchłoniętych białek nie jest włączane do struktur organizmu jako takie. Jedynym wyjątkiem jest to, że u wielu ssaków część przeciwciał matczynych może w nienaruszonym stanie przedostać się przez łożysko do krążenia płodowego i wraz z mlekiem matki (zwłaszcza u przeżuwaczy) zostać przekazana noworodkowi zaraz po urodzeniu.

Potrzeba białek.

Oczywiste jest, że aby utrzymać życie, organizm musi otrzymywać pewną ilość białka z pożywienia. Jednak wielkość tej potrzeby zależy od wielu czynników. Organizm potrzebuje pożywienia zarówno jako źródła energii (kalorii), jak i materiału do budowy swoich struktur. Na pierwszym miejscu jest zapotrzebowanie na energię. Oznacza to, że gdy w diecie jest mało węglowodanów i tłuszczów, białka dietetyczne są wykorzystywane nie do syntezy własnych białek, ale jako źródło kalorii. W przypadku długotrwałego postu nawet własne białka są zużywane na zaspokojenie potrzeb energetycznych. Jeśli w diecie jest wystarczająca ilość węglowodanów, spożycie białka można zmniejszyć.

bilans azotowy.

Średnio ok. 16% całkowitej masy białka to azot. Gdy aminokwasy tworzące białka ulegają rozkładowi, zawarty w nich azot jest wydalany z organizmu z moczem oraz (w mniejszym stopniu) z kałem w postaci różnych związków azotowych. Dlatego jest to wygodne do oceny jakości odżywianie białkowe użyj takiego wskaźnika jak bilans azotowy, tj. różnica (w gramach) między ilością azotu przyjmowanego do organizmu a ilością azotu wydalanego dziennie. Przy normalnym żywieniu osoby dorosłej ilości te są równe. W rosnącym organizmie ilość wydalanego azotu jest mniejsza niż ilość przychodzącego, tj. bilans jest dodatni. Przy braku białka w diecie bilans jest ujemny. Jeśli w diecie jest wystarczająco dużo kalorii, ale białka są w niej całkowicie nieobecne, organizm oszczędza białka. Jednocześnie metabolizm białek ulega spowolnieniu, a ponowne wykorzystanie aminokwasów w syntezie białek przebiega tak wydajnie, jak to tylko możliwe. Straty są jednak nieuniknione, a związki azotowe nadal są wydalane z moczem i częściowo z kałem. Ilość azotu wydalanego z organizmu dziennie podczas głodu białkowego może służyć jako miara dziennego niedoboru białka. Naturalne jest założenie, że poprzez wprowadzenie do diety ilości białka odpowiadającej temu niedoborowi możliwe jest przywrócenie równowagi azotowej. Jednak tak nie jest. Po otrzymaniu takiej ilości białka organizm zaczyna mniej wydajnie wykorzystywać aminokwasy, więc do przywrócenia równowagi azotowej potrzebne jest dodatkowe białko.

Jeśli ilość białka w diecie przekracza to, co jest konieczne do utrzymania bilansu azotowego, wydaje się, że nie ma z tego powodu szkody. Nadmiar aminokwasów jest po prostu wykorzystywany jako źródło energii. Szczególnie uderzającym przykładem są Eskimosi, którzy spożywają mało węglowodanów i około dziesięciokrotnie więcej białka niż jest to wymagane do utrzymania równowagi azotowej. Jednak w większości przypadków stosowanie białka jako źródła energii nie jest korzystne, ponieważ z danej ilości węglowodanów można uzyskać znacznie więcej kalorii niż z tej samej ilości białka. W biednych krajach populacja otrzymuje niezbędne kalorie z węglowodanów i spożywa minimalną ilość białka.

Jeśli organizm otrzymuje wymaganą ilość kalorii w postaci produktów niebiałkowych, to minimalna ilość białka utrzymująca bilans azotowy wynosi ok. 1 30 g dziennie. Mniej więcej tyle samo białka zawiera cztery kromki chleba lub 0,5 litra mleka. Kilka jest zwykle uważanych za optymalne. duża ilość; zalecane od 50 do 70 g.

Aminokwasy.

Do tej pory białko było traktowane jako całość. Tymczasem, aby zaszła synteza białek, w organizmie muszą być obecne wszystkie niezbędne aminokwasy. Niektóre aminokwasy, które sam organizm zwierzęcia jest w stanie syntetyzować. Nazywa się je wymiennymi, ponieważ nie muszą być obecne w diecie - ważne jest tylko, aby ogólnie spożycie białka jako źródła azotu było wystarczające; wtedy, przy niedoborze aminokwasów nieistotnych, organizm może je syntetyzować kosztem tych, których występuje w nadmiarze. Pozostałe „niezbędne” aminokwasy nie mogą być syntetyzowane i muszą być spożywane z pożywieniem. Niezbędne dla człowieka są walina, leucyna, izoleucyna, treonina, metionina, fenyloalanina, tryptofan, histydyna, lizyna i arginina. (Chociaż arginina może być syntetyzowana w organizmie, jest uważana za aminokwas egzogenny, ponieważ noworodki i rosnące dzieci wytwarzają jej niewystarczające ilości. Z drugiej strony, dla osoby w wieku dojrzałym, spożycie niektórych z tych aminokwasów z pożywienia może stać się opcjonalne.)

Ta lista niezbędnych aminokwasów jest w przybliżeniu taka sama u innych kręgowców, a nawet u owadów. Wartość odżywcza białek jest zwykle określana poprzez karmienie nimi rosnących szczurów i monitorowanie przyrostu masy zwierząt.

Wartość odżywcza białek.

Wartość odżywcza białka zależy od aminokwasu egzogennego, którego brakuje. Zilustrujmy to przykładem. Białka naszego organizmu zawierają średnio ok. 2% tryptofanu (wagowo). Powiedzmy, że dieta zawiera 10 g białka zawierającego 1% tryptofanu i jest w niej wystarczająco dużo innych niezbędnych aminokwasów. W naszym przypadku 10 g tego wadliwego białka jest zasadniczo równoważne 5 g pełnego białka; pozostałe 5 g może służyć jedynie jako źródło energii. Należy zauważyć, że ponieważ aminokwasy praktycznie nie są przechowywane w organizmie, a aby mogła zajść synteza białek, wszystkie aminokwasy muszą być obecne jednocześnie, efekt spożycia niezbędnych aminokwasów można wykryć tylko wtedy, gdy wszystkie z nich dostaną się do ciała w tym samym czasie.

Przeciętny skład większości białek zwierzęcych jest zbliżony do przeciętnego składu białek ludzkiego organizmu, więc jeśli nasza dieta jest bogata w pokarmy takie jak mięso, jajka, mleko i ser, raczej nie będziemy mieli do czynienia z niedoborem aminokwasów. Istnieją jednak białka, takie jak żelatyna (produkt denaturacji kolagenu), które zawierają bardzo mało niezbędnych aminokwasów. Białka roślinne, chociaż pod tym względem są lepsze od żelatyny, są również ubogie w niezbędne aminokwasy; szczególnie mało w nich lizyny i tryptofanu. Niemniej jednak dieta czysto wegetariańska wcale nie jest szkodliwa, o ile nie spożywa nieco większej ilości białka roślinnego, wystarczającej do dostarczenia organizmowi niezbędnych aminokwasów. Najwięcej białka znajduje się w roślinach w nasionach, zwłaszcza w nasionach pszenicy i różnych roślin strączkowych. Młode pędy, takie jak szparagi, są również bogate w białko.

Białka syntetyczne w diecie.

Dodając niewielkie ilości syntetycznych aminokwasów egzogennych lub bogatych w nie białek do białek niekompletnych, takich jak białka kukurydziane, można znacznie zwiększyć wartość odżywczą tych ostatnich, tj. zwiększając tym samym ilość spożywanego białka. Inną możliwością jest hodowanie bakterii lub drożdży na węglowodorach ropopochodnych z dodatkiem azotanów lub amoniaku jako źródła azotu. Otrzymane w ten sposób białko drobnoustrojów może służyć jako pasza dla drobiu lub zwierząt gospodarskich lub może być bezpośrednio spożywane przez ludzi. Trzecia, szeroko stosowana metoda wykorzystuje fizjologię przeżuwaczy. U przeżuwaczy w początkowym odcinku żołądka tzw. W żwaczu zasiedlają specjalne formy bakterii i pierwotniaków, które przekształcają wadliwe białka roślinne w pełniejsze białka drobnoustrojów, a te z kolei po strawieniu i wchłonięciu zamieniają się w białka zwierzęce. Mocznik, tani syntetyczny związek zawierający azot, może być dodawany do pasz dla zwierząt gospodarskich. Mikroorganizmy żyjące w żwaczu wykorzystują azot mocznikowy do przekształcania węglowodanów (których w paszy jest znacznie więcej) w białko. Około jedna trzecia azotu w paszy dla zwierząt gospodarskich może mieć postać mocznika, co w istocie oznacza do pewnego stopnia chemiczną syntezę białek.