Белки, биологическая роль которых будет сегодня рассмотрена, - построенные из аминокислот высокомолекулярные соединения. Среди всех других органических соединений они являются одними из самых сложных по своему строению. По элементарному составу белки отличаются от жиров и углеводов: кроме кислорода, водорода и углерода они содержат также и азот. Кроме того, непременной составной частью самых важных белков является сера, а некоторые содержат йод, железо и фосфор.
Биологическая роль белка очень велика. Именно эти соединения составляют большую часть массы протоплазмы, а также ядер живых клеток. Во всех животных и растительных организмах находятся белки.
Одна или несколько функций
Биологическая роль и функции разных их соединений различны. Как вещество, имеющее определенное химическое строение, каждый белок выполняет узкоспециализированную функцию. Только в некоторых случаях он может выполнять сразу несколько взаимосвязанных. К примеру, адреналин, который вырабатывается в мозговом слое надпочечников, поступая в кровь, увеличивает артериальное давление и потребление кислорода, содержание сахара в крови. Кроме того, он является стимулятором обмена веществ, а у холоднокровных животных - и медиатором нервной системы. Как вы видите, он выполняет сразу много функций.
Ферментативная (каталитическая) функция
Многообразные биохимические реакции, протекающие в живых организмах, осуществляются в мягких условиях, при которых температура близка к 40°C, а значения рН практически нейтральны. В данных условиях ничтожно малы скорости протекания многих из них. Поэтому для того чтобы они осуществились, нужны ферменты - специальные биологические катализаторы. Практически все реакции, кроме фотолиза воды, катализируются в живых организмах именно ферментами. Эти элементы являются или белками, или комплексами белков с кофактором (органической молекулой или ионом металла). Ферменты действуют очень избирательно, запуская необходимый процесс. Итак, каталитическая функция, рассмотренная выше, - одна из тех, которые осуществляют белки. Биологическая роль этих соединений, однако, выполнением ее не ограничивается. Существует множество других функций, которые мы рассмотрим ниже.
Транспортная функция
Для существования клетки необходимо, чтобы внутрь нее поступало множества веществ, которые обеспечивают ее энергией и строительным материалом. Все биологические мембраны построены по общему принципу. Это двойной слой липидов, в него погружены белки. При этом на поверхности мембран сосредотачиваются гидрофильные участки макромолекул, а в толще их - гидрофобные "хвосты". Эта структура остается непроницаемой для важных компонентов: аминокислот, сахаров, ионов щелочных металлов. Проникновение этих элементов внутрь клетки происходит с помощью транспортных белков, которые встроены в клеточную мембрану. У бактерий, например, есть специальный белок, который обеспечивает перенос лактозы (молочного сахара) через наружную мембрану.
У многоклеточных организмов имеется система транспорта различных веществ из одного органа в другой. Речь идет в первую очередь о гемоглобине (на фото выше). В плазме крови, кроме того, постоянно находится сывороточный альбумин (транспортный белок). Он обладает способностью формировать прочные комплексы с образующимися при переваривании жиров жирными кислотами, а также с рядом гидрофобных аминокислот (к примеру, с триптофаном) и со многими лекарственными препаратами (некоторые пенициллины, сульфаниламиды, аспирин). Трансферрин, который обеспечивает перенос в организме ионов железа, является еще одним примером. Можно упомянуть и церуплазмин, который переносит ионы меди. Итак, мы рассмотрели транспортную функцию, которую выполняют белки. Биологическая роль их и с этой точки зрения весьма существенна.
Рецепторная функция
Белки-рецепторы имеют большое значение, особенно для обеспечения жизнедеятельности многоклеточных организмов. Они встроены в плазматическую клеточную мембрану и служат для восприятия и дальнейшего преобразования сигналов, которые поступают в клетку. При этом сигналы могут быть как от других клеток, так и от окружающей среды. Рецепторы ацетилхолина на данный момент наиболее исследованы. Они находятся в ряде межнейронных контактов на мембране клеток, в том числе у нервно-мышечных соединений, в коре головного мозга. Данные белки взаимодействуют с ацетилхолином и передают сигнал внутрь клетки.
Нейромедиатор для получения сигнала и его преобразования должен быть удален для того, чтобы клетка имела возможность подготовиться к восприятию дальнейших сигналов. Для этого используется ацетилхолинэстераза - специальный фермент, являющийся катализатором гидролиза ацетилхолина до холина и ацетата. Не правда ли, весьма важна и рецепторная функция, которую выполняют белки? Биологическая роль следующей, защитной функции, для организма огромна. С этим просто нельзя не согласиться.
Защитная функция
В организме иммунная система отвечает на появление в нем чужеродных частиц выработкой большого количества лимфоцитов. Они способны повреждать элементы выборочно. Такими чужеродными частицами могут быть раковые клетки, патогенные бактерии, надмолекулярные частицы (макромолекулы, вирусы и др.). В-лимфоциты - группа лимфоцитов, которая вырабатывает особые белки. Эти белки выделяются в кровеносную систему. Они распознают чужеродные частицы, при этом образуя на стадии уничтожения высокоспецифичный комплекс. Эти белки именуются иммуноглобулинами. А антигенами называют чужеродные вещества, которые вызывают ответ иммунной системы.
Структурная функция
Кроме белков, которые выполняют высокоспециализированные функции, имеются и такие, значение которых в основном структурно. Благодаря им обеспечивается механическая прочность, а также другие свойства тканей живых организмов. К таким белкам относится, прежде всего, коллаген. Коллаген (на фото см. ниже) у млекопитающих составляет около четверти массы белков. Он синтезируется в основных клетках, из которых состоит соединительная ткань (они называются фибробластами).
Первоначально коллаген образуется в качестве проколлагена - его предшественника, проходящего химическую обработку в фибробластах. Затем он формируется в виде трех полипептидных цепей, скрученных в спираль. Они объединяются уже вне фибробластов в коллагеновые фибриллы в несколько сотен нанометров диаметром. Последние же образуют коллагеновые нити, которые уже можно увидеть под микроскопом. В эластичных тканях (стенках легких, кровеносных сосудов, в коже) внеклеточный матрикс, помимо коллагена, содержит также белок эластин. Он может растягиваться в довольно широких пределах и возвращаться затем в исходное состояние. Другой пример структурного белка, который можно здесь привести, - это фиброин шелка. Его выделяют во время формирования куколки гусеницы шелкопряда. Это главный компонент шелковых нитей. Переходим к описанию двигательных белков.
Двигательные белки
И в осуществлении двигательных процессов велика биологическая роль белков. Кратко расскажем и об этой их функции. Сокращение мышц - это процесс, во время которого химическая энергия превращается в механическую работу. Непосредственными его участниками являются два белка - миозин и актин. Миозин имеет весьма необычное строение. Он сформирован из двух глобулярных головок и хвоста (длинной нитевидной части). Около 1600 нм составляет длина одной молекулы. На долю головок при этом приходится примерно 200 нм.
Актин (на фото выше) - глобулярный белок, имеющий молекулярную массу 42000. Он может полимеризоваться, формируя длинную структуру, и взаимодействовать в таком виде с головкой миозина. Важная черта данного процесса - зависимость его от присутствия АТФ. Если концентрация его достаточно высока, образованный миозином и актином комплекс разрушается, а затем он вновь восстанавливается после того, как произойдет гидролиз АТФ в результате действия миозиновой АТфазы. Этот процесс можно наблюдать, например, в растворе, в котором присутствуют оба белка. Он становится вязким в результате того, что формируется высокомолекулярный комплекс при отсутствии АТФ. При его добавлении резко понижается вязкость из-за разрушения созданного комплекса, после чего он постепенно начинает восстанавливаться в результате гидролиза АТФ. В процессе сокращения мышц эти взаимодействия играют очень большую роль.
Антибиотики
Продолжаем раскрывать тему "Биологическая роль белка в организме". Очень большую и весьма важную группу природных соединений составляют вещества, называемые антибиотиками. Они имеют микробное происхождение. Эти вещества выделяются особыми видами микроорганизмов. Биологическая роль аминокислот и белков бесспорна, однако антибиотики выполняют особую, очень важную функцию. Они подавляют рост микроорганизмов, конкурирующих с ними. В 1940-е годы открытие и использование антибиотиков произвело настоящую революцию в лечении вызываемых бактериями инфекционных заболеваний. Необходимо отметить, что в большинстве случаев на вирусы антибиотики не действуют, поэтому использование их как противовирусных препаратов является неэффективным.
Примеры антибиотиков
Группа пенициллина была первой введена в практику. Примерами этой группы является ампициллин и бензилпенициллин. Антибиотики по механизму действия и химической природе многообразны. Некоторые из тех, которые широко используются сегодня, взаимодействуют с рибосомами человека, при этом в бактериальных рибосомах тормозится синтез белка. В то же время с эукариотическими рибосомами они почти не взаимодействуют. Поэтому для бактериальных клеток они губительны, а для животных и человека мало токсичны. К числу таких антибиотиков относятся стрептомицин и левомицетин (хлорамфеникол).
Биологическая роль биосинтеза белка очень важна, а сам этот процесс имеет несколько стадий. Мы расскажем о нем лишь в общих чертах.
Процесс и биологическая роль биосинтеза белка
Этот процесс является многоступенчатым и очень сложным. Он происходит в рибосомах - специальных органеллах. В клетке находится множество рибосом. У кишечной палочки, к примеру, их около 20 тысяч.
"Охарактеризуйте процесс биосинтеза белка и его биологическую роль" - такое задание многие из нас получали в школе. И у многих оно вызывало трудности. Что ж, попробуем вместе разобраться.
Молекулы белков являются полипептидными цепочками. Они состоят, как вы уже знаете, из отдельных аминокислот. Однако последние недостаточно активны. Для того чтобы соединиться и образовать молекулу белка, им требуется активация. Она происходит в результате действия особых ферментов. Каждая аминокислота при этом имеет свой фермент, специфически настроенный именно на нее. Источником энергии для данного процесса является АТФ (аденозинтрифосфат). Аминокислота в результате активирования становится более лабильной и связывается под действием данного фермента с т-РНК, которая переносит ее в рибосому (из-за этого эту РНК называют транспортной). В рибосому, таким образом, поступают соединенные с т-РНК активированные аминокислоты. Рибосома - это своеобразный конвейер для сборки из поступающих аминокислот цепочки белка.
Роль синтеза белка сложно переоценить, так как синтезированные соединения выполняют очень важные функции. Практически все клеточные структуры состоят из них.
Итак, мы описали в общих чертах процесс биосинтеза белка и его биологическую роль. На этом завершаем знакомство с белками. Надеемся, у вас появилось желание его продолжить.
