Белки. Функции белков

Карбоксильная группа имеет кислотный характер, она диссоциирует на ионы в водном растворе с образованием протона и отрицательно заряженной группы СОО¯,
а NH2–группа имеет основной характер, она способна присоединять протон водорода, становясь положительно заряженной.
В молекуле аминокислоты протон от карбоксильной группы может переносится на аминогруппу – такие образования называются цвиттер-ионы. В растворе аминокислоты находятся в виде цвиттер-ионов

Существенно, что молекулы аминокислот могут отличаться в своей пространственной конфигурации. Это явление называется стереизомерией. Эти молекулы называются D- изомерами и L- изомерами
Молекулы являются зеркальным отображением друг друга, и иначе, чем через четвертое измерение они одна в другую перейти не могут. . На плоскости тот атом, который находится ближе, перед плоскостью, изображается треугольной стрелкой, тот, что дальше, за плоскостью – пунктирной

В живом организме все аминокислоты – L–изомеры. D-изомеры встречаются довольно редко и имеют определенные функции, например, могут входить в состав антибиотиков.
Всего живая клетка использует 20 аминокислот. Они отличаются строением боковой цепи, как видно из рисунка, могут быть разветвленные цепи, они могут содержать ароматические кольца. Например, у пролина второй углеродный атом израсходовал все свободные связи на ароматическую группу, и поэтому он не обладает такой подвижностью относительно группы С-С, и поэтому в белках, где есть пролин, вращение полипептидной цепи в этих участках ограниченно.

Последовательность аминокислот в белке составляет его первичную структуру.
Как же они соединяются? Аминокислоты способны взаимодействовать друг с другом, образуя пептидную связь. При этом молекула воды уходит, а углерод соединяется с азотом – собственно пептидная связь. Понятно, что следующая карбоксильная группа может прореагировать с аминогруппой другой кислоты и таким образом образуется полипептидная цепочка, что и называется первичной структурой белка. При записи первичной структуры аминокислоты обозначают либо трехбуквенным кодом, по первым трем буквам названия, либо используют однобуквенный код. В базах данных первичная структура белка записывается обычно однобуквенным кодом.

В зависимости от того, какие аминокислоты образовали цепочку, он может свернуться в пространстве и принять ту или иную пространственную структуру, которая называется вторичной структурой белка. Полипептидная цепочка сворачивается в пространстве в различные структуры, например спираль с определенными характеристиками, с определенным шагом (α-спираль), или вытянутую структуру (β-структура). β– спирали могут взаимодействовать между собой, образуя целые белковые листы. α- спирали образуют достаточно жесткие цилиндрические структуры. На рисунках альфа-спирали изображаются или как спиральные ленты или как цилиндры, бета-структуру изображаются как плоские полосы.

Что же заставляет белки сворачиваться? В формировании вторичной структуры принимают участие гидрофобные взаимодействия, ионные взаимодействия, водородные связи и ковалентные связи.

Расположение элементов вторичной структуры в пространстве относительно друг друга называется третичной структурой белка.

Но, в клетке еще есть белки, которые называются шапероны (от слова shape - форма), которые помогают другим белкам правильно сворачиваться. Если белки сворачиваются неправильно, то это может иметь катастрофические последствия. Несколько лет назад в Европе была эпидемия коровьего бешенства, и большое количество коров пришлось уничтожить. Коровье бешенство (губчатая энцефалопатия – мозг животного становится похож на губку) вызывается не вирусом и не бактерией, а особым клеточным агентом – неправильно свернутым белком. Этот белок приводит к образованию в клетке конгломератов, то есть, белки буквально выпадают в осадок, и жизнь клетки нарушается, прежде всего влияя на нервную систему.

У людей есть аналог этой болезни. Это инфекционное заболевание называется куру. Оно описано у народов, имеющих привычку съедать мозги умерших предков (из уважения к последним).
В них как раз и находились инфекционные белки. Это так называемая «медленная инфекция» (белок ведь, в отличие от вируса, не размножается, а постепенно высаживает на себя другие клеточные белки, распространяя вокруг себя плохую «привычку» неправильно сворачиваться.

На рисунке показано, как свернут белок. Arg-61, положительно заряженный, взаимодействует с отрицательно заряженной глутаминовой кислотой. Тут образуется своеобразный мостик. Слева на рисунке представлен белок, который отличается одной мутацией от белка, изображенного справа. В нем происходит одна аминокислотная замена. У людей с такой мутацией более высокий уровень холестерина и выше уровень риска развития старческого слабоумия.

Существуют разные классификации белков:
1. По составу:

2. По структуре:
1. Фибриллярные : Нитевидные, имеют только выраженную вторичную структуру, нерастворимы в воде, выполняют структурную, сократительную функции (коллаген - рис, кератин)
2. Глобулярные : Имеют молекулу в виде шарика (глобулы), хорошо выраженную третичную структуру, растворимы в воде, выполняют сложные функции - каталитическую, регуляторную, защитную и др. ( - рис., гормоны, гемоглобин)

3. Мембранные : Также имеют молекулу в виде шарика (глобулы) и хорошо выраженную третичную структуру, но не растворимы в воде за счет гидрофобных участков, взаимодействующих с липидами мембран, выполняют транспортную (сквозь мембрану) и сигнальную функции (порин - рис., родопсин)

3. По функциям:
1. Каталитическая. Ферменты (энзимы) - увеличивают скорость протекания химических реакций (каталаза, пепсин, трипсин)
2. Транспортная. Перенос веществ (гемоглобин, липопротеины крови).
3. Регуляторная. Гормоны белковой природы (АКТГ, инсулин)
4. Сигнальная. Белки, реагирующие на внешние сигналы (родопсин, рецепторы вкуса).
5. Запасная. Яичный альбумин, казеин молока.