Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Протеины и аминокислоты — общая информация

Main page / Живомордность / Протеины и аминокислоты — общая информация

Содержание

    белки

    Протеины ( protein [‘prəutiːn] ) — это класс органических соединений, многочисленность и разнообразие которых в живых организмах не знает себе равных. Раньше в русском языке их обозначали словом «белки», но сейчас в научной литературе принято использовать именно слово «протеины». Слово «белки» носит теперь разговорный и бытовой оттенок.

    Когда мы смотрим на клетку в микроскоп, почти все, что мы видим — это протеины. Они не просто являются основным строительным материалом клетки (про что несложно догадаться, учитывая, что каждый знаком с белковой природой бифштекса). Удивительно то, что почти каждая функция клетки реализуется с их помощью. Протеин — не только строительный материал, но и главный элемент всех тех механизмов, которые обеспечивают жизнедеятельность клетки. И материал и строитель, и инженер и повар.

    Приведем в пример несколько функций протеинов:

    enzyme

    1. Протеинами являются ферменты (или «энзимы»), которые отвечают за протекание химических реакций со скоростью, на несколько порядков превышающей скорость той же реакции в их отсутствие. На картинке слева фермент присоединяет к себе и моментально расщепляет молекулу, которая в противном случае, без вмешательства фермента, еще долго плавала бы в таком виде и не приносила бы пользу клетке. Происходит этот процесс благодаря явлению, о котором уже упоминалось в «атомных главах»: за счет переконфигурации электронных оболочек расщепляемой молекулы. Сначала за счет сил электрического притяжения молекула притягивается к ферменту и попадает в ямку, имеющей в точности ту же форму, что и форма молекулы. После попадания в ямку, обе части молекулы начинают с силой взаимодействовать соответственно с левой и правой частями ямки, так что их электронные оболочки меняют свою конфигурацию, и им уже не хватает сил удерживаться вместе, после чего происходит расщепление. После расщепления электронные оболочки обеих частей приходят в такое состояние, что они уже не притягиваются ямками, а отталкиваются от них. Так работает протеиновый механизм ферментов. За счет протеиновых ферментов также происходит и синтез сложных молекул из нескольких частей, и скорость этих реакций в тысячи, в миллионы раз выше по сравнению с тем, как бы все это протекало в их отсутствие.

    Такая деятельность ферментов по ускорению реакций синтеза или распада обозначается словом «катализ» ( catalysis [kə’tæləsɪs] ), а сам фермент при этом называется «катализатором» ( catalyst [‘kætəlɪst] ), то есть «ускорителем». Характерная особенность катализаторов состоит в том, что они, осуществляя такие сложные химические реакции, сами по себе в итоге остаются неизменными и могут работать очень и очень долго.

    Например, всем известные витамины ( vitamin [‘vaɪtəmɪn] ) являются такими катализаторами, без которых мы жить не смогли бы — так безнадежно сильно замедлились бы жизненно важные процессы в организме. И поскольку нам теперь известно, что при осуществлении катализа сами катализаторы почти не тратятся, мы можем сделать простой вывод: не надо бездумно поглощать витамины. Организму их надо столько, сколько надо, а не больше, и бездумное их поглощение способно даже отравить наше тело.

    2. Встроенные в мембраны клеточных стенок и стенок органелл протеины образуют каналы и насосы, управляющие прохождением молекул и атомов внутрь и наружу. Без этих каналов и насосов клетка не могла бы питаться и дышать, и ее жизнь была бы прискорбно короткой.

    3. Некоторые протеины несут сообщения от одной клетки к другой. Например, гормон окситоцин, выделяющийся при сексуальном возбуждении, тоже является протеином.

    OLYMPUS DIGITAL CAMERA

    4. Протеины не только полезны, необходимы, вкусны и т.д. Иногда их присутствие проявляется инопланетно красивым свечением живых организмов в темноте — биолюминесценцией.

    bioluminescence1

    5. Протеины служат крошечными молекулярными машинами с подвижными органами: например, кинезин транспортирует другие протеины в нужные места клетки, зацепляя их и перетаскивая, «шагая» по микротрубочкам цитоскелета, которые тоже состоят из протеинов. Видео ниже — это не художественный вымысел несмотря на то, что является продуктом компьютерной графики: именно так и выглядит пыхтящий кинезин, тянущий за собой груз. Именно так он и на самом деле переступает своими широкими, хоббитоподобными «лапами».

     

    Вполне разумно ожидать, что структура таких непохожих друг на друга веществ с разными функциями будет далеко не так однообразна, как структура нуклеотидов, составляющих нуклеиновые кислоты. И в самом деле: «кирпичиками» протеинов являются аминокислоты, и в организмах живых существ насчитывают целых 20 их видов. Некоторые из них похожи друг на друга составом, структурой и свойствами, другие — существенно отличаются.

    землеройки

    Точно так же, как нуклеиновая кислота является длиной цепочкой соединенных друг с другом нуклеотидов, так и каждый протеин является длинной цепочкой соединенных друг с другом аминокислот. Поставь одну за другой тысячу или десять или миллион аминокислот, и получится какой-то протеин. Самому протеину все равно, из каких аминокислот его создают, и любая их последовательность будет образовывать протеин с одинаковой легкостью, ведь соединяются аминокислоты между собой своими стандартными, идентичными частями. Но нашему организму, конечно, нужны лишь избранные последовательности, выработанные миллиардами лет эволюции.

    Как и в случае с азотистыми основаниями, я не думаю, что необходимо сейчас очень уж внимательно всматриваться в структуру аминокислот, но можно и нужно понять общую идею того, как они устроены, чтобы в будущем было проще.

    amino acid

    Каждая аминокислота состоит из четырех частей. При этом три из них являются общими для всех аминокислот. И только одна часть у каждой аминокислоты индивидуальна и отличается от других. Эта часть называется «радикал», и на схеме справа она обозначена буквой R в квадрате.

    Одинаковая для всех аминокислот структура выглядит достаточно просто: мы видим центральный атом углерода с присоединенным к нему водородом. С одной стороны к нему прикреплена так называемая аминогруппаamide [‘eɪmʌɪd] ) (-NH2) — уже знакомый нам «хвостик» азотистых оснований. С другой стороны мы видим так называемую карбоксильную группуcarboxyl [kɑː’bоksɪl] ) (-COOH).

    Теперь ниже можно поглазеть на полную картину всех 20 аминокислот. Радикалы отделены красной чертой от стандартных для всех аминокислот частей. Разными цветами выделены одинаковые химические группы в радикалах.

     

    amino-acids

    На вышеприведенных схемах для простоты не указаны некоторые атомы углерода и присоединенные к ним атомы водорода. С непривычки это может быть не очень понятно, но в будущем именно такой способ изображения молекул станет привычным и удобным. Везде, где ты видишь излом линий, там стоит атом углерода. И везде, где к такому атому углерода идет меньше, чем 4 черточки, надо добавить соответствующее количество атомов водорода, чтобы в итоге число связей каждого атома углерода равнялось четырем (именно 4 связи с соседними атомами может образовывать углерод — подробнее это будет рассмотрено в «атомных главах»).

    L-alanine-3D-balls

    alanin-20

    Например, если взять аланин (см. схему справа), то на схеме мы видим две точки излома линий, значит в каждой из них стоит атом углерода. Правый углерод входит в состав карбоксильной группы COOH. При этом к левому атому ведет только 3 черточки, значит к нему еще и присоединен 1 атом водорода — мы видели это выше на схеме, обозначающей типичную аминокислоту. Полный молекулярный вид аланина виден слева. Можно сравнить обе картинки, чтобы окончательно разобраться в этом вопросе.

     

    Двадцать аминокислот дают достаточное разнообразие вариантов их сочетаний (астрономически огромное, надо сказать). Тем не менее, кроме простых протеинов, состоящих только из аминокислот, существуют еще и сложные, в состав которых включаются или липиды, или углеводы (т.е. сахара), или фосфаты. Существуют даже металлопротеины, в которых между аминокислотами расположены атомы металлов. И это далеко не редкость в нашем организме. Один пример сращения органических тканей с металлами мы уже знаем: в рибосомах  есть магний. Другой пример — эритроциты — красные тельца крови. Каждый эритроцит набит молекулами гемоглобина по самые уши, а каждая молекула гемоглобина содержит в себе 4 атома железа, и именно эти атомы железа присоединяют к себе атомы кислорода, и таким образом кровь разносит кислород по нашему телу. Железо с присоединенным к нему кислородом — это, на простом языке, ржавчина — окисленное железо, и именно поэтому кровь на вкус имеет привкус ржавчины. Так что когда в следующий раз тебе на глаза попадется ржавая железяка, не смотри на нее уж с таким пренебрежением, ведь в каком-то смысле ты тоже — ржавая железка:)

    Print

    Молекула гемоглобина изображена справа. На рисунке видны не только 4 атома железа (Fe), но и то, насколько сложна структура готового протеина. Каждая из четырех окрашенных в разные цвета частей является свернутой особым образом цепью аминокислот. И для успешного функционирования протеина важно и то, какие аминокислоты использованы для его построения, и то, как они свернуты, и взаимное расположение разных частей. Стоит произойти мутации, малейшей ошибке, заключающейся в замене нужной аминокислоты на другую, или сворачиванию в неправильном направлении всего лишь на одном участке, и протеин может начать менее успешно выполнять свою функцию, или вообще перестать ее выполнять. Это может являться как причиной болезни, так и смерти всего организма. Но точно такая же ошибка может породить новый протеин, более эффективный, и тогда в результате естественного отбора более «продвинутые» особи постепенно вытеснят имеющих исходный вариант. Кроме того, в результате мутаций может появиться протеин с принципиально новой функцией, которая не только повысит выживаемость мутантных организмов, остающихся похожими на исходные, но и продвинет их в направлении образования нового вида.

    almond

    Многие аминокислоты организм любого живого существа может синтезировать (то есть строить) самостоятельно, из более мелких частей, получаемых из пищи. Но некоторые аминокислоты (разные для разных организмов) синтезировать невозможно, поэтому необходимо получать их с пищей. Организм взрослого человека не способен синтезировать 8 аминокислот, организм ребенка — еще две помимо них.  Поэтому если тебе неудержимо захотелось поесть миндаля или кешью, возможно это результат получения от твоего организма сигнала о недостатке изолейцина.

     

    Protein_crystals

    Удивительно, но протеины при низких температурах могут образовывать кристаллы. Выращенные на станции «Мир» кристаллы протеинов используются для изучения их пространственной структуры. На этом общей информации о протеинах пока достаточно.