Различия белкового состава органов и изменения его в онтогенезе и болезнях

Глава I. Многообразие белков и их функции

 

Белки играют решающую роль в жизнедеятельности  отдельных клеток и всего многоклеточного  организма, так как их функции  удивительно многообразны. Многообразие функций белков определяется особенностями  их первичной структуры и конформации, уникальностью строения активного центра и способностью связывать специфические лиганды. Лишь очень небольшая часть всех возможных вариантов пептидных цепей может принять стабильную пространственную структуру; большинство из них может принимать множество конформации с примерно одинаковой энергией Гиббса, но с различными свойствами. Первичная структура известных белков, отобранных биологической эволюцией, обеспечивает исключительную стабильность одной из конформации, которая определяет особенности функционирования этого белка.

Гомологичные белки

Гомологичными называют белки, выполняющие  у разных видов одинаковые функции, например гемоглобин у всех позвоночных  осуществляет транспорт 02, цитохром с - митохондриальный белок, участвующий в процессах биологического окисления. Гомологичные белки большинства видов:

 

- имеют одинаковую или очень  близкую молекулярную массу;

 

- во многих положениях содержат  одни и те же аминокислоты, называемые инвариантными остатками;

 

- в некоторых положениях наблюдаются  значительные различия аминокислот  - так называемые вариабельные  аминокислотные остатки;

 

- содержат гомологичные последовательности  — совокупность сходных черт  в аминокислотной последовательности  сравниваемых белков (кроме идентичных  аминокислот, эти последовательности  содержат разные, но близкие по  физико-химическим свойствам аминокислотные  радикалы). Цитохром с — митохондриальный белок, участвующий в биологическом окислении. Установлена его аминокислотная последовательность более чем у 60 видов. В 27 положениях находятся инвариантные аминокислотные остатки. Цитохромы с дрожжей и лошади различаются по 48 аминокислотным остаткам, курицы и утки - по 2 аминокислотам, курицы и индейки идентичны.

Сравнение аминокислотной последовательности гомологичных белков выявило:

 

1) консервативные, инвариантные аминокислотные  остатки важны для формирования  уникальной пространственной структуры  и биологической функции данных  белков;

 

2) наличие гомологичных белков  говорит об общем эволюционном  происхождении видов;

 

3) число вариабельных аминокислотных  остатков в гомологичных белках  пропорционально филогенетическим  различиям между сравниваемыми  видами;

 

4) в некоторых случаях даже  небольшие изменения аминокислотной  последовательности могут вызвать  нарушения свойств и функций  белков;

 

5) но далеко не все изменения  аминокислотной последовательности  вызывают нарушения биологических  функций белков;

 

6) наибольшие нарушения структуры  и функции белков возникают  при замене аминокислот:

 

— входящих в ядро сворачивания (набор  аминокислот, с которых начинается формирование конформации);

 

— входящих в состав активного  центра;

 

— на участках пересечения полипептидной  цепи при образовании третичной  структуры.

 

Серповидно-клеточная анемия —  заболевание, при котором в крови  больного вместо НbА обнаруживается НbS. В его ?-цепи в положении 6 вместо Глу стоит Вал. Наличие на поверхности НbS валина приводит к агрегации молекул дезокси-НbS, образованию нерастворимых нитей и деформации эритроцитов, которые часто приобретают форму серпа.

 

Почти все замены аминокислот, обнаруженные на поверхности НЬA, безвредны; НЬS — поразительное исключение.

Семейства белков

 

В ходе эволюции в пределах одного биологического вида замены аминокислотных остатков могут приводить к возникновению  разных белков, выполняющих родственные  функции и имеющих гомологичные последовательности аминокислот.

 

Они имеют поразительно сходные  конформации: количество и взаиморасположение ос-спиралей и/или ?-структур, большинство поворотов и изгибов полипептидных цепей похожи или идентичны.

 

Белки, имеющие гомологичные участки  полипептидной цепи, сходную конформацию и родственные функции, выделяют в семейства белков. Примеры семейств белков:

 

- сериновые протеиназы;

 

- семейство иммуноглобулинов;

 

- семейство миоглобина.

 

Сериновые протеиназы - семейство белков, выполняющих функцию протеолитических ферментов.

 

К ним относятся пищеварительные  ферменты - химотрипсин, трипсин, эластаза и многие факторы свертывания крови . Эти белки имеют в 40% положений идентичные аминокислоты и очень близкую конформацию

Некоторые аминокислотные замены привели  к изменению субстратной специфичности  этих белков и возникновению функционального  многообразия внутри семейства.

   1. Классификация белков

 

1. По форме молекул белки можно разделить на две большие группы - глобулярные (имеющие сферическую форму) и фибриллярные (удлиненной формы).

 

2. По наличию или отсутствию  в белке неаминокислотной части они делятся на простые (состоящие только из аминокислот) и сложные (имеющие в своем составе компонент неаминокислотной природы).

 

3. По функциям, выполняемым белками, их можно разделить на структурные, сократительные транспортные, каталитические, защитные, рецепторные, регуляторные и др.

 

Полипептидную часть сложного белка  называют апопротеином, неаминокислотный компонент - простетической группой, а весь белок - холопротеином.

 

В каждую из этих функциональных групп  входит огромное количество индивидуальных белков.

 

Суперсемейство иммуноглобулинов

 

 

В работе иммунной системы огромную роль играют белки суперсемейства иммуноглобулинов, которое включает в себя 3 семейства белков: антитела (иммуноглобулины), рецепторы Т-лимфоцитов, белки главного комплекса гистосовместимости - МНС 1-го и 11-го классов (major histocompatibility complex).

 

Все они имеют доменное строение, состоят из гомологичных иммуноподобных доменов и выполняют сходные функции — взаимодействуют с чужеродными структурами, либо растворенными в крови, лимфе или межклеточной жидкости (антитела), либо находящимися на поверхности клеток (собственных или чужеродных).

 

Антитела — специфические белки, вырабатываемые В-лимфоцитами в ответ на попадание в организм чужеродной структуры, называемой антигеном.

Особенности строения антител

 

1. Простейшие молекулы антител  состоят из 4 полипептидных цепей: 2 идентичных легких — L,содержащих около 220 аминокислот и 2 идентичных тяжелых — Н, состоящих из 440-700 аминокислот. Все 4 цепи антитела соединены множеством нековалентных и 4 дисульфидными связями.

 

2. Легкие цепи антитела состоят  из 2 доменов: вариабельного, находящегося  на N-концевой области полипептидной  цепи и константного, расположенного  на С-конце.

 

3. Тяжелые цепи обычно имеют  4 домена: один вариабельный, находящийся  на N-конце и 3 константных.

 

4. Каждый домен иммуноглобулина  имеет ?-складчатую суперструктуру, в которой 2 остатка цистеина соединены дисульфидной связью.

 

5. Между 2 константными доменами имеется участок, содержащий большое количество остатков пролина, которые препятствуют формированию вторичной структуры и взаимодействию соседних Н-цепей на этом отрезке. Эта шарнирная область придает молекуле антитела гибкость.

 

6. Между вариабельными доменами  тяжелых и легких цепей находятся  2 идентичных антигенсвязывающих  участка, поэтому такие антитела  часто называют бивалентами.

 

В связывании антигена с антителом  участвует не вся аминокислотная последовательность вариабельных участков обеих цепей, а всего лишь 20—30 аминокислот, расположенных в гипервариабельных областях каждой цепи. Именно эти области определяют уникальную способность каждого вида антетата взаимодействовать с соответствующим комплементарным антигеном.

 

Антитела - одна из линий защиты организма  против внедрившихся чужеродных организмов. Их функционирование можно разделить  на два этапа: первый этап - узнавание  и связывание антигена на поверхности  чужеродных организмов, которые происходят благодаря наличию в структуре  антитела антигенсвязывающих участков; второй этап — инициация процесса, благодаря которому антиген инактивируется и разрушается. Специфичность второго  этапа зависит от класса антител.

 

Существует 5 классов тяжелых цепей, отличающихся по строению константных  доменов: ?, ?, ?, ? и ?, в соответствии с которыми различают 5 классов иммуноглобулинов: A, D, E, G и М. 

 

Особенности строения тяжелых цепей  придают шарнирным участкам и  С-концевым областям тяжелых цепей  характерную для каждого класса конформацию.

 

После связывания антигена с антителом  конформационные изменения константных  доменов определяют путь удаления антигена в организме.

 

Иммуноглобулины М.

 

Иммуноглобулины М имеют две  формы:

 

Мономерная форма - первый класс антител, продуцируемый развивающимся В-лимфоцитом. Впоследствии многие В-клетки переключаются на выработку других классов антител, но с тем же антигенсвязывающим участком.

 

1gМ встраивается в мембрану  и выполняет роль антигенраспознающего рецептора. Встраивание 1gМ в мембрану клеток возможно благодаря наличию в хвостовой части участка 25 гидрофобных аминокислотных остатков.

 

Секреторная форма 1gМ содержит 5 мономерных субъединиц, связанных друг с другом дисульфидными связями и дополнительной полипептидной J-цепью

Тяжелые цепи мономеров этой формы  не содержат гидрофобной хвостовой  части. Пентамер имеет 10 центров связывания с антигеном.

 

Секреторная форма 1gМ — основной класс антител, секретируемых в  кровь при первичном иммунном ответе.

 

Связывание 1gМ с антигеном изменяет конформацию 1gМ и индуцирует связывание его с первым компонентом системы комплемента и активацию этой системы. Если антиген расположен на поверхности микроорганизма, система комплемента вызывает нарушение целостности клеточной мембраны и гибель бактериальной клетки.

 

Иммуноглобулины G.

 

В количественном отношении этот класс  иммуноглобулинов доминирует в крови (75% ). 1gG — мономеры, основной класс антител, секретируемый в кровь при вторичном иммунном ответе. После взаимодействия 1gG с поверхностными антигенами микроорганизмов комплекс антиген—антитело:

 

— способен связывать и активировать белки системы комплемента;

 

— может взаимодействовать со специфическими рецепторами макрофагов и нейтрофилов, что приводит к фагоцитозу комплексов антиген—антитело и разрушению их в фагосомах;

 

— 1gG — единственный класс 1g, способный  проникать через плацентарный барьер и обеспечивать внутриутробную защиту плода от инфекций.

 

Иммуноглобулины D

 

Иммуноглобулины D обнаружены в сыворотке  в очень небольшом количестве, являются мономерами. В тяжелых ?-цепях имеют 1 вариабельный и 3 константных домена. Выполняют роль рецепторов В-лимфоцитов; другие функции пока неизвестны.

 

Взаимодействие специфических  антигенов с рецепторами на поверхности  В-лимфоцитов приводит к передаче этих сигналов в клетку и включению  механизмов, обеспечивающих размножение  данного клона лимфоцитов.

Иммуноглобулины Е

 

Иммуноглобулины Е представлены мономерами, в которых тяжелые Е-цепи содержат, так же как и ?-цепи, 1 вариабельный и 4 константных домена.

 

1gЕ после секреции связываются  своими С-концевыми участками с соответствующими рецепторами на поверхности тучных клеток и базофилов. В результате они становятся рецепторами для антигенов на поверхности данных клеток (рис. 2.2).

 

После присоединения антигена к  соответствующим антигенсвязывающим участкам 1gЕ клетки получают сигнал к секреции биологически активных веществ (гистамина, серотонина), которые в  большой мере ответственны за развитие воспалительной реакции и проявление таких аллергических реакций, как  астма, крапивница, сенная лихорадка.

 

1.2 Основные функции белка

Активный центр белка и специфическое  взаимодействие белка с лигандом

 

Информация, записанная в линейной последовательности аминокислотных остатков в пептидной цепи, воспроизводится в пространственную структуру.

1. Центр связывания белка с  лигандом, или активный центр. На поверхности глобулы образуется участок, который может присоединять к себе другие молекулы, называемые лигандами.

Центр связывания с лигандом, или активный центр, формируется из радикалов аминокислотных остатков, сближенных на уровне третичной структуры. В линейной пептидной цепи они могут находиться на расстоянии, значительно удаленном друг от друга.

2. Белки проявляют высокую специфичность  (избирательность) при взаимодействии с лигандом.

3. Высокая специфичность взаимодействия  белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра структуре лиганда. Комплементарность — это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей. 

4. В основе функционирования  белков лежит их специфическое  взаимодействие с лигандами.

 

50 000 индивидуальных белков, содержащих  уникальные первичные структуры,  формируют уникальные активные  центры, способные связываться только  со специфическими лигандами и благодаря особенностям строения активного центра проявлять свойственные им функции.