Структура и функции белков

Структура белков. Белки — важнейшая составляющая живых клеток — представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. Аминокислоты — органические соединения, в состав которых входят карбоксильные группы СООН, аминогруппа NH₂ и углеводородный радикал. По своей структуре белки относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся молекул — мономеров.

Общая формула аминокислот, образующих белок, имеет вид

Из формулы видно, что к центральному атому углерода присоединены четыре разные группы. Три из них — атом водорода Н, щелочная аминогруппа H₂N— и карбоксильная группа СООН— для всех аминокислот одинаковы. По составу и структуре четвертой группы, обозначенной R, аминокислоты отличаются друг от друга. В самых простых структурах, например в молекуле глицина, такая группа представляет собой атом водорода, в молекуле аланина —СН₃ и т.д.

Химическая связь —СО—NH—, соединяющая в молекулах белков аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, называется пептидной связью.

Все активные организмы, будь то растения, животные, бактерии или вирусы, содержат белки, построенные из одних и тех же аминокислот. Поэтому в любой пище содержатся те же аминокислоты, которые входят в состав белков организмов, потребляющих пищу.

Белки — это природные органические соединения, состоящие из макромолекул, относительная молекулярная масса которых составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Каждая аминокислота белка содержит специфическую для нее группу. Аминокислоты образуют своеобразный алфавит из 20 букв, которые объединяются в группы (слова), определяющие молекулярную структуру белка и его биологическую функцию.

В определении «белки — это полимеры, построенные из 20 разных аминокислот» содержится их неполная характеристика. В лабораторных условиях не составляет труда в растворе аминокислот получить пептидные связи и сформировать длинные молекулярные цепи. Однако в таких цепях расположение аминокислот хаотическое, и образовавшиеся молекулы отличаются друг от друга. В то же время в каждом из природных белков порядок расположения отдельных аминокислот всегда один и тот же. А это означает, что при синтезе белка в живой системе используется информация, в соответствии с которой формируется вполне определенная для каждого белка последовательность аминокислот, определяющая пространственную структуру белка.

Образование молекул белков в клетках из аминокислот называется биосинтезом. В процессе биосинтеза белков определяющую роль играет генетическая информация об их структуре. Биосинтез белков состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции. Транскрипция — это синтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК-полимеразы. Трансляция — перевод информационной РНК в последовательность аминокислот. Сборка одной молекулы белка, состоящей из 200 - 300 аминокислот, происходит за 1 - 2 мин и требует сравнительно больших затрат энергии.

В последнее время в результате расшифровки генетического кода разработаны методы определения последовательностей аминокислот в белках. В лаборатории удалось синтезировать некоторые виды белков, идентичных природным аналогам, что весьма важно для развития современной биотехнологии.

Белки — основа кожи, шерсти, шелка и других натуральных материалов, важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Со второй половины XX в. для получения пищевых и кормовых белков применяется микробиологический синтез.

Функции белков. Во всех живых организмах белки играют исключительно важную роль: они участвуют в построении клеток и тканей, являются биокатализаторами (ферментами), гормонами, защитными веществами и др.

Одна из важнейших функций белков — строительная: по процентному содержанию веществ в клетке белки занимают второе место и определяют, таким образом, белковую природу всех живых организмов. Чрезвычайно важна каталитическая функция белков ферментов. Появление органических катализаторов — ферментов — стало одной из поворотных точек в развитии жизни на Земле. Ферменты намного эффективнее неорганических катализаторов и более избирательны: они помогают извлекать из сложной смеси только одно вещество и превращать его не в несколько продуктов, а только в один. Ферменты можно считать природны-270

ми нанороботами, главным рабочим инструментом всего живого. Они отвечают за все химические реакции, протекающие в живом организме: обеспечивают энергией и строительным материалом; создают и разрушают сигнальные молекулы, необходимые для регуляции жизненных процессов; защищают организм от чужеродных веществ. Еще ферменты перезаписывают и размножают наследственную информацию, т.е. участвуют в синтезе РНК и ДНК, самих себя и других белков.

Химическую природу ферментов впервые определил в 1926 г. американский биохимик Дж. Самнер (1887 — 1955), лауреат Нобелевской премии 1946 г. Из соевых бобов он выделил в кристаллической форме фермент уреазу и доказал его белковую природу.

Дальнейшие исследования показали, что все ферменты за редким исключением вещества белковой природы. Однако биологические функции белков многообразны. Трудно назвать процессы, в которых белки не принимают участия. В частности, белки-гормоны регулируют основные жизненно важные процессы: рост, развитие, размножение, обмен веществ. Кроме того, белок входит в состав гемоглобина (красного дыхательного пигмента крови человека и многих животных), который переносит кислород от органов дыхания к тканям, а углекислый газ — от тканей к дыхательным органам. Роль гемоглобина чрезвычайно велика: он доставляется кровеносной системой ко всем органам и в самые удаленные части тела и снабжает клетки кислородом. Белки-иммуноглобулины выполняют важную для организма защитную функцию. Они содержатся в глобулиновой фракции плазмы крови и участвуют в создании иммунитета. Мышечные сокращения и внутриклеточное движение — результат взаимодействия молекул белков, функция которых, кроме того, заключается и в координации движения.

Таким образом, белки принимают участие во всех жизненных процессах, составляющих основу жизнедеятельности живых организмов.

7.4. СТРОЕНИЕ И РАЗНОВИДНОСТИ КЛЕТОК

Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток, образующих ткани различных органов и их систем. Клетка представляет собой элементарную живую систему, основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Она может существовать как самостоятельный организм (простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0, 1 — 0, 25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Число клеток в организмах различно. Например, тело взрослого человека состоит из 10¹⁵ клеток, а различных их видов в нем более 200.

Подобно любому организму клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Отдельные составляющие ее части не обладают жизненными функциями. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться, что широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Термин «клетка» впервые предложил в 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук для описания ячеистой структуры наблюдаемого под микроскопом среза пробки. Утверждение о том, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль сыграли труды немецких ученых-ботаников Матгиаса Шлейдена (1804—1881) и Теодора Шванна (1810—1882).

Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки имеют общее строение: они состоят из трех основных частей — плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра с носителем генетической информации (рис. 7.4). Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли — цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой — клеточной стенкой. Кроме того, они включают пластиды — цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску. 272

Окружающая клетку плазматическая мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Она обладает избирательной проницаемостью и поддерживает нормальную концентрацию солей, Сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ. Мембрана играет важную роль: при ее повреждении клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных элементов жизнь клетки может продолжаться. Изменение проницаемости наружной мембраны — первый признак гибели клетки.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма, содержащая водный раствор солей с растворимыми ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органел-лы — маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органел-лам, в частности, относятся митохондрии — мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца — рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК) и принимающие участие в биосинтезе белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, несмотря на то что 75 — 85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро. Ядро — важнейшая часть клетки: без него она не может существовать. В ядре находятся хромосомы — длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка. Например, соматическая клетка человека имеет 23 пары хромосом, а шимпанзе — 24.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию материнской клетки. Для чего вначале число хромосом в клетке удваивается и затем каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий равное распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Не все клетки организма многоклеточного животного или растения
одинаковы. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе
развития организма. Каждый организм животного развивается из одной
клетки — яйца, которое начинает делиться, и в конечном результате об
разуется множество отличающихся друг от друга клеток — мышечные,
нервные, кровяные и др. Различие клеток определяется прежде всего на
бором белков, синтезируемых клеткой. Во всех клетках растений или ор
ганизмов животных хранится полная генетическая информация для по
строения всех белков определенного вида организма, но в клетке каждого
типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны.
18 - 3290 273

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы — прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам — все остальные организмы — простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты бывают одноклеточными и многоклеточными. Прокариоты все одноклеточные. Они, в отличии от эукариот, не обладают оформленным клеточным ядром. Их молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Деление прокариот происходит без митоза. Размеры их относительно небольшие. Наследование признаков в них основано на передаче ДНК дочерним клеткам. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле около 3, 5 млрд. лет назад, были прокариоты.

Клетки эукариот содержат митохондрии — специализированные ор-ганеллы, в которых происходят процессы окисления. В клетках растений, помимо митохондрий есть хлоропласты, способные производить фотосинтез, в результате которого из углекислого газа и воды образуются органические вещества. Хлоропласты и митохондрии очень похожи на некоторых бактерий, способных к фотосинтезу. В этой связи в 1910 г. российский биолог К.С. Мережковский (1855—1921) высказал предположение: хлоропласты и митохондрии произошли от свободноживущих бактерий, которые проникли в прокариотную клетку. Вначале они были внутриклеточными паразитами, затем в результате эволюции стали приносить пользу клетке-хозяину и постепенно превратились в хлоропласты и митохондрии. Возможно, таким образом примерно 1400 млн. лет назад возникли клетки эукариот.

Если одноклеточный организм, например бактерия, не гибнет от внешнего воздействия, то он остается бессмертным, т. е. не умирает, а делится на две новые клетки. Многоклеточные организмы живут лишь ограниченное время. В организмах животных они содержат два типа клеток: соматические и половые. Половые клетки, так же как и бактерии, бессмертны. После оплодотворения образуются соматические клетки, которые смертны, и новые половые.

Растения содержат особую ткань — меристему, состоящую из клеток, способных образовывать другие типы клеток. По этому признаку клетки меристемы похожи на половые, т.е. их можно считать бессмертными. Они обновляют ткани растений, поэтому некоторые виды растений могут жить тысячи лет. В организмах примитивных животных (губки, актинии) есть подобная ткань, и они живут сравнительно долго.

Соматические клетки высших животных делятся на два вида. Один из них — клетки, живущие недолго, но постоянно возобновляющиеся за счет особой ткани — меристемы. К ним относятся, например, клетки эпидермиса — поверхностного слоя кожи. Другой вид — клетки нервные, мышечные и др. Во взрослом организме они не делятся и поэтому не возобновляются, стареют и гибнут. 274

Принято считать, что главная причина старения организма — утеря генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Поврежденные участки молекулы ДНК способны восстанавливаться благодаря ре-паративным ферментам. Хотя их возможности ограничены, но они играют важную роль в продлении жизни организма.