Классификация белков

До настоящего времен нет единой и стройной классификации, учитывающей различные параметры белков. В основе имеющихся классификаций обычно лежит один признак. Так, белки можно классифицировать:

- по форме молекул (глобулярные или фибриллярные);

- по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.);

- по химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части);

- по выполняемым функциям (транспортные, защитные, структурные белки и др.);

- по локализации в клетке (ядерные, цито-плазматические, лизосомальные и др.);

- по локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.);

- по способности адаптивно регулировать синтез белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные);

- по продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с Т1/2 менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, Т1/2 которых исчисляют неделями и месяцами);

- по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).

Ι Классификация белков по форме молекул

Это одна из самых старых классификаций, которая делит белки на 2 группы: глобулярные и фибриллярные. К глобулярным относят белки, соотношение продольной и поперечной осей которых не превышает 1: 10, а чаще составляет 1: 3 или 1: 4, т.е. белковая молекула имеет форму эллипса. Большинство индивидуальных белков человека относят к глобулярным белкам. Они имеют компактную структуру и многие из них, за счёт удаления гидрофобных радикалов внутрь молекулы, хорошо растворимы в воде. Наглядные примеры строения и функционирования глобулярных белков - рассмотренные выше миоглобин и гемоглобины.

Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1: 10. К фибриллярным белкам относят коллагены, эластин, кератин, выполняющие в организме человека структурную функцию, а также миозин, участвующий в мышечном сокращении, и фибрин - белок свёртывающей системы крови. На примере коллагенов и эластина рассмотрим особенности строения этих белков и связь их строения с функцией.

Гемоглобин состоит из белка глобина (который состоит из 18 аминокислот: аланин, валин, лейцин, пролин, цистен, цистин, аргинин и т.д. Нет – Изолейцина, оксипролина, оксилизина) и железосодержащего гема. Большая часть гемоглобина у взрослых состоит из двух альфа- и двух бета-цепей глобина (по 141 и 146 аминокислот соответственно). В каждую цепь глобина встроена молекула гема; содержащийся в ней атом железа связывает кислород. Переносить кислород может только двухвалентное железо.

Рисунок – Молекула гемоглобима

Химически гемоглобин относится к группе хромопротеидов. Каждая молекулагемоглобина состоит из белковой части: две цепи (субъединицы) альфа-глобина и две (субъединицы) бета-глобина, нековалентно связаны, группы небелковой природы-гема, в состав которого входит железо. Каждая субъединица имеет молекулярную массу около 16000, в общей молекулярной массой в тетрамер около 64000. Каждая субъединица гемоглобина содержит одну гема, таким образом, общая связывающая способность взрослого человека гемоглобина к кислороду в четыре молекулы кислорода.

Альфа-полипептидная цепь заканчивается комбинацией аминокислот валина-лейцина, а бета-полипептидная цепь - комбинацией валина-гистидина-лейцина. Альфа- и бета-полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле не размещены линейно, как это выглядит на первый взгляд из данных, это первичная структура.

По причине существования интрамолекулярных сил, полипептидные цепи скручиваются в форме типичной для белков альфа-геликсовой спирали -вторичная структура. Сама альфа-геликсовая спираль на каждую альфа- и бета-полипептидную цепь огибается пространственно, образуя сплетения овоидной формы, третичная структура. Отдельные части альфа-геликсовых спиралей полипептидных цепей отмечают латинскими буквами от А до Н.

Все четыре третично изогнутые альфа- и бета-полипептидные цепи располагаются пространственно в определенном соотношении - кватернерная структура. Они связаны между собой не настоящими химическими связями, а межмолекулярными силами.

Кроме координационной связи, существующей между полипептидными цепями глобина, Fe⁺⁺ атом гема располагает еще тремя координационными связями, две из которых соединены двумя азотными атомами порфиринового кольца, а третья, в среде с низким парциальным давлением кислорода, связана с одной молекулой воды. В среде с высоким парциальным давлением кислорода (артериальная кровь), третья координационная связь соединена с одной молекулой кислорода, причем получается соединение - оксигемоглобин. Путем непрерывного превращения оксигемоглобина в редуцированный гемоглобин и обратно, осуществляется перенос кислорода из легких к тканям.

Особенно значительным отличаем гемоглобина от миоглобина является кривая насыщения кислородом, которая имеет сигмоидную форму. Значит возможность гемоглобина связывать кислород зависит от того, заключаются ли в данном тетрамере другие молекулы кислорода. Если содержатся, то последующие молекулы кислорода присоединяются легче. Таким образом, для гемоглобина свойственна кинетика кооперативного связывания, благодаря которой он объединяет максимальное количество кислорода в легких и отдает максимальное количество кислорода при тех парциальных давлениях кислорода, которые имеют место в периферических тканях.

Величина Р50 - значение парциального давления кислорода характеризует сродство гемоглобинов к кислороду. Р50 у разных организмов существенно различается, но во всех случаях оно превышает значение парциального давления кислорода в периферических тканях рассматриваемого организма.

Это показывает фетальный гемоглобин человека (НВF). Для HbA Р50=26 мм. рт. ст., а для HbF Р50=20 мм. рт. ст. Благодаря этой разнице гемоглобин F отбирает кислород у HbA, находящегося в плацентарной крови. Однако после рождения ребенка HbF утрачивает свою функцию; обладая более высоким сродством к кислороду, он высвобождает меньшее его количество в тканях.

У гемоглобина есть еще одна немаловажная функция, он ускоряет транспорт углекислого газа от тканей к легким. Гемоглобин связывает углекислый газ сразу после высвобождения кислорода; примерно 15% углекислого газа, присутствующего в крови, переносится молекулами гемоглобина. Находящаяся в эритроцитах карбоангидраза катализирует превращение поступающего из тканей углекислого газа в угольную кислоту. Угольная кислота быстро диссоциирует на бикарбонат-ион и протон, причем равновесие вдвинуто в сторону диссоциации. Для предотвращения опасного повышения кислотности крови должна существовать буферная система, способная поглощать избыток протонов. Гемоглобин связывает два протона на каждые четыре освободившиеся молекулы кислорода, определяя буферную емкость крови.

В легких идет противоположный процесс: присоединение кислорода к дезоксигемоглобину сопровождается высвобождением протонов, которые связываются с бикарбонат ионами, переводя их в угольную кислоту. Далее эффективно действующая карбоангидраза катализирует превращение угольной кислоты в углекислый газ, выдыхаемый из легких. Следовательно, связывание кислорода тесно сопряжено с выдыханием углекислого газа. Это явление называется эффектом Бора.

Железо, которое содержится в гемме, способно образовывать с молекулами кислорода легко распадающееся соединение при прохождении эритроцита чрез капилляры легких, а при прохождении через сосуды других органов - отдавать кислород и связываться с углекислотой, которую гемм затем отдает, когда эритроцит вновь попадает в капилляры легких.

У взрослых людей, гемоглобин представляет собой тетрамер, состоящий из двух альфа- и бета- субъединиц, нековалентно связаные. Субъединицы структурно похожи и примерно такого же размера. Каждая субъединица имеет молекулярную массу около 16000, в общей молекулярной массой в тетрамер около 64000. Каждая субъединица гемоглобина содержит одну гема, таким образом, что общая связывающая способность взрослого человека гемоглобина к кислороду в четыре молекулы кислорода.

Поэтапная реакция:

Hb + O₂ ↔ HBO₂

HBO₂ + O₂ ↔ Hb (O₂)₂

Hb (O₂)₂ + O₂ ↔ Hb (O₂)₃

Hb (O₂)₃ + O₂ ↔ Hb (O₂)₄

Основная информация реакция:

HB + 4O₂ → Hb (O₂)₄

Кровь, протекающая по артериям насыщена кислородом, имеет ярко-алый цвет; после поглощения кислорода тканями и связывания гемоглобина с углекислотой кровь приобретает темно-красный цвет(эта кровь протекает по венам).Помимо гемоглобина крови, у ряда животных в ритмически работающих мышцах с интенсивным обменном (мышца сердца) имеется мышечный гемоглобин (миоглобин), близкий по своему составу и свойствам к гемоглобину крови.

ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Химически гемоглобин относится к группе хромопротеидов. Его простетическая группа представляет собой ферросоединение протопорфирина IХ, с молекулярным составом С₃₄Н₃₂О₄N₄Fe и носит название гем (рис.). Она придает соединению окраску. Белковый компонент гемоглобина называется глобином. Гемоглобиновая молекула содержит 4 гема и 1 глобин. Аминокислоты расположены в глобине в виде четырех полипептидных цепочек; две из них идентичны по структуре, и их обозначают как альфа-цепочки; две другие тоже идентичны между собой и их обозначают как бета-цепочки. Следовательно, формулу глобина можно выразить как альфа-альфа/бета-бета или альфа2бета2. альфа-полипептидная цепь состоит и 141, бета-полипептидная цепь - из 146 аминокислот.

Изолейцин - одна из незаменимых аминокислот, необходимых для синтеза гемоглобина.

В норме гемоглобин содержится в крови в виде трех физиологических соединений:

оксигемоглобин (НbО₂) – гемоглобин в соединении с кислородом – находится в артериальной крови, придает ей ярко-алый цвет;

восстановленный, или дезоксигемоглобин (Hb), не содержащий кислорода, – находится в венозной крови, которая имеет более темный цвет, чем артериальная;

карбгемоглобин (НbСО₂) – соединение гемоглобина с углекислым газом – содержится в венозной крови. (В этом случае СО₂ присоединяется не к гему, а к NH₂-группам белка глобина. СО₂ могут связывать как оксигемоглобин, так и дезоксигемоглобин, но последний – в большей степени.)