Биологическая химия - часть 4

 

  Главная      Учебники - Медицина     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  2  3  4  5   ..

 

 

Биологическая химия - часть 4

 

 

называемых биологическими катализаторами, является белками. Эта функ-

ция белков, хотя и не оказалась уникальной, определяет скорость химиче-

ских реакций в биологических системах *.

Транспортная функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос

кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов.

В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови.

Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью,

железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая

их доставку в соответствующие органы-мишени.

Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет

иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных

белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов,

вирусов или чужеродных белков. Высокая специфичность взаимодействия

антител с антигенами (чужеродными веществами) по типу белок-белковое

взаимодействие способствует узнаванию и нейтрализации биологического

действия антигенов. Защитная функция белков проявляется и в способности

ряда белков плазмы крови, в частности фибриногена, к свертыванию.

В результате свертывания фибриногена образуется сгусток крови, предохра-

няющий от потери крови при ранениях.

Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления

участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих

жизненно важных процессах играют актин и миозин – специфические белки

мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным

белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы

жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза).

Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную)

функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела

человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в част-

ности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже,

эластин в сосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы

белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина

и т.д. В комплексе с липидами (в частности, с фосфолипидами) белки

участвуют в образовании биомембран клеток.

Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется разно-

образными механизмами. В этой регуляции важное место занимают гормо-

ны, синтезируемые не только в железах внутренней секреции, но и во

многих других клетках организма (см. далее). Ряд гормонов представлен

белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной

железы и др. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.

Питательная (резервная) функция. Эту функцию выполняют так назы-

ваемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода,

например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин)

также выполняет главным образом питательную функцию. Ряд других

белков используется в организме в качестве источника аминокислот, кото-

рые в свою очередь являются предшественниками биологически активных

веществ, регулирующих процессы метаболизма.

Можно назвать еще некоторые другие жизненно важные функции бел-

ков. Это, в частности, экспрессия генетической информации, генерирование

и передача нервных импульсов, способность поддерживать онкотическое

* Получены экспериментальные доказательства, что, помимо белков, ферментативной,

каталитической активностью наделен и ряд других макромолекул, в частности РНК (названы

рибозимами) и моно- и поликлональные антитела (абзимы) – см. главу «Ферменты».

21

давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающие физио-

логическое значение рН внутренней среды, и др.

Таким образом, из этого далеко не полного перечня основных функций

белков видно, что указанным биополимерам принадлежит исключительная

и разносторонняя роль в живом организме. Если попытаться выделить

главное, решающее свойство, которое обеспечивает многогранность биоло-

гических функций белков, то следовало бы назвать способность белков

строго избирательно, специфически соединяться с широким кругом разно-

образных веществ. В частности, эта высокая специфичность белков (срод-

ство) обеспечивает взаимодействие ферментов с субстратами, антител

с антигенами, транспортных белков крови с переносимыми молекулами

других веществ и т.д. Это взаимодействие основано на принципе биоспе-

цифического узнавания, завершающегося связыванием фермента с соответ-

ствующей молекулой субстрата, что содействует протеканию химической

реакции. Высокой специфичностью действия наделены также белки, кото-

рые участвуют в таких процессах, как дифференцировка и деление клеток,

развитие живых организмов, определяя их биологическую индивидуальность.

СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКОВ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ

Наиболее богаты белковыми веществами ткани и органы животных. Источ-

ником белка являются также микроорганизмы и растения. Большинство

белков хорошо растворимо в воде. Некоторые органические вещества,

выделенные из хряща, волос, ногтей, рогов, костной ткани и нерастворимые

в воде, также были отнесены к белкам, поскольку по своему химическому

составу оказались близки к белкам мышечной ткани, сыворотки крови,

яйца.

В мышцах, легких, селезенке, почках на долю белков приходится более

70–80% от сухой массы, а во всем теле человека – 45% от сухой массы

(табл. 1.1) *. В отличие от животных тканей в растениях содержится

значительно меньше белков (табл. 1.2).

Таблица 1.1. Содержание белков в органах и тканях человека

Органы и ткани

Кожа

Кости (твердые ткани)

Зубы (твердые ткани)

Поперечнополосатые

мышцы

Мозг и нервная ткань

Печень

Сердце

Легкие

Селезенка

Содержание

белков, %

от сухой

массы

63

20

18

80

45

57

60

82

84

от обще-

го коли-

чества

белка

тела

11,5

18,7

0,1

34,7

2,0

3,6

0,7

3,7

0,2

Органы и ткани

Почки

Поджелудочная

железа

Пищеварительный

тракт

Жировая ткань

Остальные ткани:

жидкие

плотные

Все тело

Содержание

белков, %

от сухой

массы

72

47

63

14

85

54

45

от обще-

го коли-

чества

белка

тела

0,5

0,1

1,8

6,4

1,4

14,6

100

* Ряд таблиц и рисунков учебника заимствован из руководств Б.И. Збарского, И.И. Ива-

нова, С.Р. Мардашева (М., 1972) и Ю.Б. Филипповича (М., 1994).

22

Т а б л и ц а 1.2. Содержание белков в органах животных и в растениях

Органы животных

Мышцы

Печень

Селезенка

Почки

Легкие

Мозг

Содержание

белков, %

от массы

свежей ткани

18-23

18-19

17-18

16-18

14-15

7-9

Органы растений

Семена

Стебли

Листья

Корни

Фрукты

Содержание

белков, %

от массы

свежей ткани

10-13

1,5-3,0

1,2-3,0

0,5-3,0

0,3-1,0

Для изучения химического состава, строения и свойств белков их обычно

выделяют или из тканей, или из культивируемых клеток, или биологических

жидкостей, например сыворотки крови, молока, мышц, печени, кожи и др.

Элементный состав белков в пересчете на сухое вещество представлен

50–54% углерода, 21–23% кислорода, 6,5–7,3% водорода, 15–17% азота

и до 0,5% серы. В составе некоторых белков присутствуют в небольших

количествах фосфор, железо, марганец, магний, йод и др.

Таким образом, помимо углерода, кислорода и водорода, входящих

в состав почти всех органических полимерных молекул, обязательным ком-

понентом белков является азот, в связи с чем белки принято обозначать как

азотсодержащие органические вещества. Содержание азота более или менее

постоянно во всех белках (в среднем 16%), поэтому иногда определяют

количество белка в биологических объектах по содержанию белкового азота.

МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ БЕЛКОВ

Для подробного исследования физико-химических и биологических свойств

белков, а также для изучения их химического состава и структуры непре-

менным условием является получение белков из природных источников

в химически чистом, гомогенном состоянии. Последовательность операций

по выделению белков обычно состоит в следующем: измельчение биологи-

ческого материала (гомогенизация); извлечение белков, точнее, перевод

белков в растворенное состояние (экстракция); выделение исследуемого

белка из смеси других белков, т.е. очистка и получение индивидуального

белка.

Белковые вещества весьма чувствительны к повышению температуры

и действию многих химических реагентов (органические растворители,

кислоты, щелочи). Поэтому обычные методы органической химии, приме-

няемые для выделения того или иного вещества из смеси (нагревание,

перегонка, возгонка, кристаллизация и др.), в данном случае неприемлемы.

Белки в этих условиях подвергаются денатурации, т.е. теряют некоторые

существенные природные (нативные) свойства, в частности растворимость,

биологическую активность. Разработаны эффективные методы выделения

белков в «мягких» условиях, при низкой температуре (не выше 4°С),

с применением щадящих нативную структуру химических реагентов.

Гомогенизация биологического материала

Перед выделением белков из биологических объектов (органы и ткани

животных, микроорганизмы, растения) исследуемый материал тщательно

измельчают до гомогенного состояния, т.е. подвергают дезинтеграции

23

вплоть до разрушения клеточной структуры. Эту процедуру, называемую

гомогенизацией, проводят при помощи ножевых гомогенизаторов типа

Уорринга или пестикового гомогенизатора Поттера–Эльвегейма. Для

выделения ряда белков из плотных животных и растительных объектов

часто используют валковые или шаровые мельницы (рис. 1.1). Успешно

применяется также метод попеременного замораживания и оттаивания

ткани, в основе действия которого лежит разрушение клеточной оболочки,

вызванное кристаллами льда. Для дезинтеграции тканей используют также

ультразвук, пресс-методы (замороженный биоматериал пропускают через

мельчайшие отверстия стального пресса под высоким давлением) и метод

«азотной бомбы», при котором клетки (в частности, микробные) сначала

насыщают азотом под высоким давлением, затем резко сбрасывают давле-

ние – выделяющийся газообразный азот как бы «взрывает» клетки.

Экстракция белков

Современные методы измельчения тканей обычно сочетают с одновремен-

ной экстракцией белков из гомогенатов тканей. Большинство белков тканей

хорошо растворимо в 8–10% растворах солей. При экстракции белков

широко применяют различные буферные смеси с определенными значения-

ми рН среды, органические растворители, а также неионные детергенты –

вещества, разрушающие гидрофобные взаимодействия между белками

и липидами и между белковыми молекулами.

Из органических соединений, помимо давно применяемых водных раст-

воров глицерина, широко используют (особенно для солюбилизации) сла-

бые растворы сахарозы. На растворимость белков при экстракции большое

влияние оказывает рН среды, поэтому в белковой химии применяют

фосфатные, цитратные, боратные буферные смеси со значениями рН от

кислых до слабощелочных, которые способствуют как растворению, так

и стабилизации белков. Особенно широкое распространение получили

трис-буферные системы, представляющие собой смеси 0,2 М раствора

трис-(оксиметил)-аминометана (HOCH

2

)

3

CNH

2

 (сокращенно обозначают

«трис») с 0,1 М раствором хлороводородной кислоты в разных соотноше-

ниях. Для выделения белков сыворотки крови используют способы их

осаждения этанолом (см. метод Кона), ацетоном, бутанолом и их комби-

нации. Почти все органические растворители разрывают белок-липидные

связи, способствуя лучшей экстракции белков.

Для получения из биологического материала белков в чистом, гомо-

генном, состоянии применяют различные детергенты, способствующие

расщеплению белок-липидных комплексов и разрыву белок-белковых свя-

зей *. В частности, для освобождения белков (ферментов), прочно связан-

ных с биомембранами митохондрий или других субклеточных структур,

применяют тритон Х-100, додецилсульфат натрия и дезоксихолат натрия.

СН

3

—(СН

2

)

10

—СН

2

—O—SO

3

Na

Додецилсульфат натрия

С

8

Н

17

—(С

6

Н

4

)—O—(СН

2

—СНОН)

10

Н

Тритон Х-100

* Здесь имеется в виду разрушение так называемых слабых связей (см. далее). Пептидные

и другие ковалентные связи в белковых молекулах стараются сохранять.

24

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  2  3  4  5   ..