Какие функции в клетке выполняют белки

Что такое белок в организме человека

Белки состоят из полимеров аминокислотных остатков. Аминокислоты соединены между собой пептидными связями. Каждый белок представляет собой линейный полимер, построенный из различных аминокислот. Тип и последовательность аминокислот в белке определяются ДНК клетки, которая его производит. В генетическом коде обычно указывается 20 стандартных аминокислот. Однако у некоторых организмов, например архей, генетический код определяет большее количество аминокислот.

Источник: himija-online.ru

В зависимости от последовательности аминокислот белки имеют различную форму и молекулярную массу. Например, гемоглобин — это глобулярный белок, то есть он складывается в компактную шарообразную структуру, а коллаген, содержащийся в человеческой коже, — это волокнистый белок, то есть он складывается в длинную вытянутую цепь, похожую на волокна.

Поскольку форма определяет функцию, любое незначительное изменение формы белка может привести к его дисфункции. Небольшие изменения в аминокислотной последовательности белка могут стать причиной таких разрушительных генетических заболеваний, как болезнь Хантингтона или серповидно-клеточная анемия.

Существует четыре различных типа структуры белка:

1. Первичная структура относится к последовательности аминокислот в полипептидной цепи.
2. Вторичная структура белка — это регулярно повторяющиеся локальные структуры, стабилизированные водородными связями. Примерами вторичной структуры являются α-спираль, β-лист, повороты и петли.
3. Третичная структура (иногда называемая складкой) относится к пространственному расположению вторичных структур друг относительно друга. Она часто стабилизируется нелокальными взаимодействиями, например, дисульфидными связями, солевыми мостиками, образованием гидрофобного ядра. Именно такая структура белка определяет его фундаментальную функцию.
4. Четвертичная структура относится к белковому комплексу, т.е. когда его образуют несколько полипептидных цепей (иногда называемых белковыми субъединицами). Третичную и четвертичную структуры часто называют конформациями. Переход белка из одной структуры в другую и переход между третичной и четвертичной может осуществляться путем конформационного изменения. Эти изменения могут быть вызваны, например, при связывании субстрата с белком (в частности, ферментом) в его активном участке.

Основные функции белков

Защитная

Антитело (иммуноглобулин) — это белок, вырабатываемый иммунной системой организма при обнаружении вредных веществ, называемых антигенами. Примерами антигенов являются микроорганизмы (бактерии, грибы, паразиты и вирусы) и химические вещества.

Может пометить микроб или инфицированную клетку для атаки другими частями иммунной системы или нейтрализовать непосредственно свою мишень, например, блокируя часть микроба, которая необходима для его вторжения и выживания. После того как организм выработал антитела против определенной бактерии или вируса, его клетки уже никогда не забывают, как их вырабатывать. Это позволяет антителам быстро реагировать в следующий раз, когда возбудитель конкретного заболевания вторгнется в организм. В результате в организме вырабатывается иммунитет против болезней, которым он подвергается.

Фибриноген — это внеклеточный белок, содержащийся в значительных концентрациях в плазме крови всех позвоночных животных. Хотя основная роль фибриногена связана с его полимеризацией в фибриновые сгустки, он также взаимодействует с рядом других внеклеточных белков, тромбоцитами и различными клетками. Прямо или косвенно система фибриноген-фибрин участвует в гемостазе, воспалении, заживлении ран и ангиогенезе.

Тромбин представляет собой сериновую протеазу, играющую физиологическую роль в регуляции гемостаза и поддержании свертываемости крови. Образуясь из протромбина, тромбин превращает фибриноген в фибрин, который в сочетании с тромбоцитами крови образует тромб.

Двигательная

Двигательные (сократительные) белки, такие как актин и миозин, регулируют движение за счет гидролиза АТФ.

Актин, присутствующий во всех эукариотических клетках, представляет собой белок, необходимый для поддержания структуры клетки. У человека выделены три основные группы актина: альфа, бета и гамма.
Альфа-актин экспрессируется в основном в скелетных, сердечных и гладких мышцах, а остальные — бета- и гамма-актины — в гладких мышцах. Актиновые филаменты обеспечивают внутреннюю механическую поддержку для поддержания формы клетки, а также силу, приводящую в движение клетки и внутриклеточный транспорт.

Миозины принадлежат к семейству моторных белков мышц, обеспечивающих их сокращение. Они могут присутствовать и в других клетках, таких как амебы и макрофаги, в качестве моторного белка, участвующего в различных процессах движения. К их основным свойствам относятся способность связываться с актином и активность фермента АТФазы.

Тубулин является основным компонентом микротрубочек — важнейших белков клеточного цитоскелета, участвующих в митозе, цитокинезе и транспорте везикул и органелл. Представляют собой полые трубки, образованные из α- и β-тубулина, диаметром 25 нм, окружающие ядро и распространяющиеся, в основном в продольном направлении, по всей клетке.

Структурная

Структурные белки позволяют клеткам сохранять свою форму и организацию. На более широком уровне они обеспечивают структурные элементы соединительных тканей, таких как кость и хрящ, и помогают функционировать мышцам. Имеют волокнистую структуру и придают клеткам и тканям жесткость и прочность.

Кератин — структурный белок, содержащийся в коже, волосах и ногтях. Продукты и процедуры с кератином помогают укрепить волосы, придать им более яркий вид и мягкость. Это белок, из которого формируются волосы, ногти и внешний слой кожи (эпидермис). Железы и органы также содержат кератин. Он прочен, поэтому не растворяется в разбавленных кислотах, щелочах, растворителях или воде. В организме есть много химических веществ, но ни одно из них не действует на кератин.

Коллаген — самый распространенный белок в организме. Составляет 30% белка организма. Он обеспечивает структуру, поддержку и прочность кожи, мышц, костей и соединительных тканей. Это основной строительный элемент кожи, мышц, костей, сухожилий, связок и других соединительных тканей организма. Он также содержится в органах, кровеносных сосудах и выстилке кишечника.

Основными аминокислотами, из которых состоит коллаген, являются пролин, глицин и гидроксипролин. Эти аминокислоты, соединяясь между собой, образуют белковые фибриллы в виде тройной спирали. Для создания тройной спирали организму также необходимо необходимое количество витамина С, цинка, меди и марганца.

Эластин — это естественный стабильный белок внеклеточного матрикса, он в несколько сотен раз эластичнее коллагена. Являясь основным компонентом эластичных волокон, он аккумулирует энергию. Этот белок эластин также позволяет соединительным тканям восстанавливаться. Его высокая эластичность позволяет многим тканям в организме возвращаться в исходную форму после растяжения или сжатия, например, матке, легким и артериям. Без эластина кожа и другие ткани будут провисать.

Эластин растягивается в 1000 раз сильнее, чем коллаген. Синтез белка эластина происходит в течение короткого промежутка времени. Он образуется только со стадии развития плода до позднего подросткового возраста. При этом имеет длительный период полураспада — около 70 лет. Таким образом, у большинства здоровых людей он должен сохраняться в течение всей жизни.
Составляет около 2-4% сухой массы дермы человеческого тела.

Запасающая

Ферритин — белок, хранящего железо внутри клеток. Железо необходимо организму для производства здоровых красных кровяных телец. Они переносят кислород от легких к остальным частям тела. Железо также важно для здоровья мышц, костного мозга и работы органов. Для последующего использования организм запасает железо в виде ферритина, который обычно концентрируется в печени и клетках иммунной системы.

Когда организм использует железо, клетки выделяют небольшое количество ферритина в кровь. Таким образом, уровень ферритина отражает количество железа, хранящегося в организме.

Другие

Источник энергии

Некоторые аминокислоты, входящие в состав белков, могут быть разобраны и использованы для получения энергии. У здоровых людей белок практически не участвует в энергетических потребностях. Если в рационе недостаточно углеводов и жиров, организм будет использовать аминокислоты для получения энергии. Когда белки необходимы для получения энергии, они берутся из крови и тканей организма (например, мышечной). Для использования белков в качестве энергии необходимо их деаминирование.

Остальные компоненты метаболизируются для получения энергии. Чтобы защитить ткани организма от расщепления с целью получения энергии, необходимо потреблять достаточное количество жиров и углеводов. Важно также отметить, что наш организм не может накапливать избыток белка. Избыточное потребление белка приводит к выведению азота из организма, а остальные компоненты используются для получения энергии или преобразуются в жир для последующего использования.

Гидро- и кислотно-основной баланс

Белок также необходим для поддержания надлежащего баланса pH (показатель кислотности или щелочности вещества) в крови. Шкала pH варьируется от 0 (сильно кислый) до 14 (сильно основной/щелочной). pH крови поддерживается в пределах от 7,35 до 7,45, то есть является слабоосновным. Если кровь становится слишком кислой (такое состояние называется ацидозом), это означает, что уровень водорода (H+) в крови избыточен. Если кровь становится слишком основной/щелочной (состояние, известное как алкалоз), это означает, что уровень H+ в крови недостаточен. Даже незначительное изменение pH крови может повлиять на функции организма.

В организме существует несколько систем, которые поддерживают pH крови в пределах нормы, предотвращая возникновение проблем. Некоторые белки действуют как буферы и выделяют водород (H+) в кровь, если она становится слишком кислой. Белки также могут забирать водород из крови, если она становится слишком кислой. Выделяя и забирая водород при необходимости, белки поддерживают кислотно-основной баланс и сохраняют pH крови в пределах нормы.

Заживление ран

Белки участвуют во всех аспектах заживления ран — процесса, состоящего из трех фаз: воспаления, пролиферации и ремоделирования. Например, при небольшом порезе кожа краснеет и воспаляется. Процесс заживления начинается с выделения белков, таких как брадикинин, которые расширяют кровеносные сосуды в месте повреждения. Дополнительный белок, называемый фибрином, помогает закрепить тромбоциты, которые образуют сгусток крови, останавливающий кровотечение. Далее, в фазе пролиферации, клетки перемещаются в поврежденную ткань и восстанавливают ее, прокладывая новые коллагеновые (белковые) волокна. Коллагеновые волокна помогают стягивать края раны. В фазе ремоделирования происходит отложение большего количества коллагена, образуя рубец. Рубцовая ткань лишь на 80% функциональнее нормальной неповрежденной ткани. Если в рационе недостаточно белка, процесс заживления ран заметно замедляется.

Гормональная функция

Белки отвечают за синтез гормонов. Это химические мессенджеры, вырабатываемые эндокринными железами. Когда эндокринная железа стимулируется, она выделяет гормон. Затем гормон переносится в крови к клетке-мишени, где он передает сообщение, запускающее определенную реакцию или клеточный процесс. Например, после приема пищи в крови повышается уровень глюкозы. В ответ на повышение уровня глюкозы в крови поджелудочная железа выделяет гормон инсулин. Инсулин сообщает клеткам организма, что глюкоза доступна, и они должны брать ее из крови и хранить или использовать для получения энергии или построения макромолекул. Одной из основных функций гормонов является включение и выключение ферментов, поэтому некоторые белки могут даже регулировать действие других белков. Хотя не все гормоны состоят из белков, многие из них являются таковыми.

Ферменты

Некоторые белки выполняют функции ферментов. Это белки, осуществляющие специфические химические реакции. Задача фермента — обеспечить место для химической реакции и снизить количество энергии и времени, необходимое для ее протекания. Поэтому ферменты иногда называют катализаторами. В среднем каждую секунду происходит более ста химических реакций, и для большинства из них требуются ферменты. Только в печени содержится более тысячи ферментных систем. Они специфичны и используют только определенные субстраты , которые помещаются в их активный участок. Практически для каждой химической реакции требуется определенный фермент. Он может выполнять свою роль катализатора много раз, хотя рано или поздно он разрушается и восстанавливается.

Все функции организма, включая расщепление питательных веществ в желудке и тонком кишечнике, превращение питательных веществ в молекулы, которые может использовать клетка, и построение всех макромолекул, включая белок, осуществляются с участием ферментов.

Транспорт

Белки также играют важную роль в переносе веществ по организму. Например, альбумин химически связывается с гормонами, жирными кислотами, некоторыми витаминами, необходимыми минералами и лекарствами и переносит их по кровеносной системе. Каждый эритроцит содержит миллионы молекул гемоглобина, которые связывают кислород в легких и доставляют его ко всем тканям организма. Плазматическая мембрана клетки обычно не проницаема для крупных полярных молекул, поэтому для доставки необходимых питательных веществ и молекул в клетку в клеточной мембране существует множество транспортных белков. Некоторые из этих белков представляют собой каналы, позволяющие определенным молекулам входить в клетку и выходить из нее. Другие требуют энергии для своего функционирования.