Конспект

Белки. Часть 1: Структура и функции

Ключевые тезисы

• Белок — это последовательность аминокислотных остатков (более 40), соединённых пептидными связями.
• Структура белка иерархична: первичная → вторичная → третичная → четвертичная.
• Первичная структура (последовательность аминокислот) определяет все последующие уровни организации и функцию белка.
• Мутации в ДНК могут изменять первичную структуру белка, что иногда приводит к серьёзным заболеваниям (например, серповидноклеточной анемии).
• Белки выполняют в организме множество жизненно важных функций.

Основное содержание

Определение и классификация

Белок — это макромолекула, полимер, состоящий из аминокислотных остатков.

• Пептид: 10 и более аминокислотных остатков.
• Полипептид: от 11 до 40 аминокислотных остатков.
• Белок: более 40 аминокислотных остатков.

Структура белков

Структура организована на четырёх уровнях.

Первичная структура

• Это линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепи, соединённых пептидными связями.
• Единственный тип связей на этом уровне — пептидные (легко запомнить: Первичная — Пептидная).
• Задаётся последовательностью нуклеотидов в ДНК. Мутации в гене (замена, вставка, выпадение нуклеотида) напрямую меняют первичную структуру белка.

Пример/Кейс: Серповидноклеточная анемия
Причина — точечная мутация в гене бета-цепи гемоглобина. В 6-м положении глутамат (отрицательно заряженная кислота) заменяется на валин (гидрофобная, незаряженная кислота). Это приводит к:

1. Деформации и полимеризации молекул гемоглобина.
2. Изменению формы эритроцитов с двояковогнутой на серповидную.
3. Нарушению функции переноса кислорода и легкому разрушению (гемолизу) эритроцитов.

Полиморфизм белков

Полиморфизм белков — это существование в популяции белков, идентичных по функции, но различных по первичной структуре.

• Причина — нейтральные мутации, которые не влияют на функцию белка и передаются по наследству.
• Примеры:
  1. Гемоглобин: разные типы (эмбриональный F, фетальный F, взрослые A и A₂) на разных этапах онтогенеза. Функция одна (перенос газов), а цепи в составе разные (альфа, бета, гамма, дельта, эпсилон).
  2. Гликозилтрансферазы: ферменты, определяющие группу крови. У людей с разными группами крови эти ферменты имеют разное строение (первичную структуру), что определяет, какой олигосахаридный остаток они присоединят к поверхности эритроцитов.

Вторичная структура

• Это способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру (α-спираль или β-складчатый слой).
• Образуется за счёт водородных связей между пептидными группами разных аминокислотных остатков.
• Два основных типа:
  1. α-Спираль: правосторонняя спираль. Водородные связи образуются между пептидными группами каждой первой и четвёртой аминокислоты (через три остатка). Прерывается на аминокислотах пролин и гидроксипролин.
  2. β-Складчатый слой (β-структура): зигзагообразная укладка цепи. Водородные связи образуются между удалёнными друг от друга пептидными группами. Цепи могут быть ориентированы параллельно или антипараллельно.
• Соотношение α-спиралей и β-структур определяет свойства белка:
  • Глобулярные белки (форма шара): больше α-спиралей, лучше растворимы в воде (гидрофильны).
  • Фибриллярные белки (форма нитей): больше β-структур, хуже растворимы (гидрофобны).

Третичная структура

• Это трёхмерная укладка всей полипептидной цепи в компактную глобулу (клубок).
• Формируется за счёт взаимодействий между радикалами (R-группами) аминокислот, которые могут находиться далеко друг от друга в цепи.
• Типы связей в третичной структуре:
  • Водородные связи (между гидроксильными, карбоксильными, аминогруппами радикалов).
  • Дисульфидные связи (мостики) — ковалентные, прочные. Образуются между остатками цистеина.
  • Гидрофобные взаимодействия (между алифатическими и ароматическими радикалами).
  • Ионные (электростатические) взаимодействия (между карбоксильными группами глутамата/аспартата и аминогруппами лизина/аргинина).
  • Псевдопептидные связи (редко упоминаются): образуются не между α-группами, а, например, между γ-карбоксильной группой глутамата и ε-аминогруппой лизина.

Четвертичная структура

• Это объединение двух и более отдельных полипептидных цепей (субъединиц, протомеров) в единый функциональный комплекс.
• Важно: белки, состоящие из одной цепи, не имеют четвертичной структуры.
• Субъединицы удерживаются вместе только нековалентными связями: водородными, ионными, гидрофобными, электростатическими. Никаких пептидных или дисульфидных связей между цепями.
• Пример: Гемоглобин — тетрамер, состоит из 4 субъединиц (2 альфа- и 2 бета-цепи).

Функции белков

1. Структурная: коллаген, эластин, кератин, белки цитоскелета (спектрин), компоненты мембран и рибосом.
2. Ферментативная (каталитическая): большинство ферментов — белки (есть исключение — рибозимы, РНК с каталитической активностью).
3. Гормональная: многие гормоны — пептиды или белки (инсулин, глюкагон, гормоны гипофиза).
4. Рецепторная: все рецепторы на поверхности клеток (например, для гормонов) имеют белковую природу.
5. Транспортная:
   • Перенос веществ в крови (гемоглобин — кислород, трансферрин — железо, церулоплазмин — медь, липопротеины — липиды).
   • Транспорт через мембраны (ионные насосы: Na⁺/K⁺-АТФаза, Ca²⁺-АТФаза).
6. Защитная:
   • Иммунная (иммуноглобулины, система комплемента).
   • Гемостатическая (факторы свёртывания крови: фибриноген, протромбин).
   • Механическая (коллаген кожи).
7. Питательная (резервная): яичный альбумин, белки грудного молока. В условиях голода белки организма могут использоваться для получения энергии.
8. Буферная: белковая буферная система поддерживает постоянство pH крови.
9. Онкотическая (поддержание давления): белки плазмы крови (особенно альбумины) создают коллоидно-осмотическое давление.

Выводы

• Белки — высокомолекулярные полимеры с иерархической структурой, где каждый последующий уровень организации зависит от предыдущего.
• Изменение первичной структуры (вследствие мутации) может кардинально менять свойства и функцию белка, приводя к патологиям.
• Благодаря сложной структуре белки выполняют в организме исключительно широкий спектр функций, являясь основой жизни.