Биологическая химия - часть 20

У беспозвоночных роль переносчика кислорода часто выполняют пиг-

менты негеминовой природы – гемэритрин и гемоцианин. Они не относятся

к гемсодержащим хромопротеинам, хотя в их названиях содержится корень

«гем». Эти белки, как и гемоглобин, несмотря на то что выполняют одну

и ту же функцию, сильно различаются между собой по молекулярной массе

и четвертичной структуре, химической природе активного центра, характеру

связывания железа (гемэритрин) и меди (гемоцианин) с кислородом и др.

(табл. 2.2).

Т а б л и ц а 2.2. Некоторые свойства белков-переносчиков кислорода (по Г. Эйхгорну)

Свойства

Металл
Степень окисления металла

в дезоксигенированном белке
Стехиометрия

взаимодействия с кислородом

Цвет оксигенированного

белка
Цвет дезоксигенированного

белка
Способ связи железа или

меди с белком

Молекулярная масса

Число субъединиц

Гемоглобин

Fe
II

Fe:O

2

Красный

Пурпурно-

красный
Порфириновое

кольцо

65000

4

Гемэритрин

Fe
II

2Fe:O

2

Розово-фиоле-

товый
Бесцветный

Радикалы ами-

нокислотных

остатков

108000

8

Гемоцианин

Сu

I

2Сu:О

2

Синий

Бесцветный

Радикалы ами-

нокислотных

остатков
400000-

20000000

Много

Трансферрины (сидерофилины) – группа сложных белков, полученных из

разных источников и характеризующихся способностью специфично, проч-

но и обратимо связывать ионы железа Fe (III) и других переходных

металлов. Наиболее подробно из этой группы белков изучен трансферрин

сыворотки крови. Функция трансферрина заключается в транспорте ионов

железа в ретикулоциты, в которых осуществляется биосинтез гемоглобина.

Система трансферрин–ретикулоцит считается весьма перспективной для

изучения взаимодействия металла с белком и белковой молекулы с клеткой.

Флавопротеины

Флавопротеины содержат прочно связанные с белком простетические груп-

пы, представленные изоаллоксазиновыми производными – окисленными

флавинмононуклеотидом (ФМН) и флавинадениндинуклеотидом (ФАД).

Флавопротеины входят в состав оксидоредуктаз – ферментов, катализи-

рующих окислительно-восстановительные реакции в клетке. Некоторые

Флавопротеины содержат ионы металлов. Типичными представителями

флавопротеинов, содержащих также негемовое железо, являются ксантин-

оксидаза, альдегидоксидаза, СДГ, дигидрооротатдегидрогеназа, ацил-

КоА-дегидрогеназа и транспортирующий электроны флавопротеин. На

долю двух последних приходится до 80% митохондриальных флавопро-

85

теинов, выполняющих важную роль в биоэнергетике клетки (см. главу 9).

Негемовое железо связывается с белковым компонентом, отличающимся от

гемсодержащих хромопротеинов. Железо ковалентно связано с атомом

серы остатка цистеина в белке. При кислотном гидролизе такого белка

освобождается железо и H

2

S. Несмотря на структурные отличия от цито-

хромов, негемовые флавопротеины выполняют аналогичную функцию в

транспорте электронов благодаря способности переходить из окисленного

в восстановленное состояние.

НУКЛЕОПРОТЕИНЫ

Нуклеопротеины состоят из белков и нуклеиновых кислот. Последние

рассматриваются как простетические группы. В природе обнаружено 2 типа

нуклеопротеинов, отличающихся друг от друга по составу, размерам

и физико-химическим свойствам,– дезоксирибонуклеопротеины (ДНП) и

рибонуклеопротеины (РНП). Названия нуклеопротеинов отражают только

природу углеводного компонента (пентозы), входящего в состав нуклеино-

вых кислот. У РНП углевод представлен рибозой, у ДНП – дезоксирибозой.

Термин «нуклеопротеины» связан с названием ядра клетки, однако ДНП

и РНП содержатся и в других субклеточных структурах. Следовательно,

речь идет о химически индивидуальном классе органических веществ,

имеющих своеобразные состав, структуру и функции независимо от лока-

лизации в клетке. Доказано, что ДНП преимущественно локализованы

в ядре, а РНП – в цитоплазме. В то же время ДНП открыты в мито-

хондриях, а в ядрах и ядрышках обнаружены также высокомолекулярные

РНП.

Пристальное внимание исследователей привлечено к структуре и функ-

ции макромолекул, включающих комплексы белков и нуклеиновых кислот.

Этот особый интерес вызван тем, что многообразие проявлений жизни

непосредственно связано с этими полимерными молекулами. Биохимики

имеют достаточно оснований для утверждения, что природа синтезирован-

ных в клетках белков зависит в первую очередь от природы ДНП, точнее

ДНК, а свойства живых организмов, как и структурная организация

субклеточных органелл, клеток и целостного организма, определяются

свойствами синтезированных белков.

ДНК хранит наследственную информацию. Подтверждением этого слу-

жит явление трансформации, наблюдаемое у бактерий и открытое также

в культуре клеток человека. Сущность явления заключается в превращении

одного генетического типа клеток в другой путем изменения природы ДНК.

Так, удалось получить штамм капсулированных и вирулентных пневмо-

кокков из исходного штамма, не обладающего этими признаками, путем

внесения в среду ДНК, выделенной из капсулированного (и вирулентного)

штамма. С нуклеопротеинами и соответственно нуклеиновыми кислотами

непосредственно связаны, кроме того, такие биологические процессы, как

митоз, мейоз, эмбриональный и злокачественный рост и др.

У большинства клеток эукариот, когда ядро находится в интерфазе, из

ДНК и белковых молекул образуются так называемые филаменты – нити,

имеющие меняющуюся толщину (в среднем около 10 нм, реже 2 нм).

Оказывается, что толщина филаментов определяется наличием или от-

сутствием белков, окружающих двухспиральную структуру ДНК, а длина

их – молекулярной массой ДНК. Известно, что одна хромосома содержит

одну молекулу ДНК, имеющую длину несколько сантиметров. Вообще

ДНП входит в состав  м о н о н у к л е о с о м , являющихся составной частью

86

Рис. 2.3. Модель вируса мозаичной болезни табака,
а - спираль РНК; б - субъединицы белка.

хромосомы. Таким образом, в состав хроматина входят молекула ДНК,

пять различных классов белков – гистонов и так называемые негистоновые

белки. Количество ДНК в ядре составляет до 6 пг (10

–12

 г) на одну клетку

у животных. У E.coli содержание ДНК равно 0,01 пг.

Относительно белкового состава ДНП известно, что все 5 классов

гистонов различаются по размерам, аминокислотному составу и величине

заряда (всегда положительный). Так, выделяют гистоны, богатые лизином

(H1), молекулярная масса которых составляет в среднем 20000, и богатые

аргинином с мол. массой до 15000. Они обозначаются следующими

символами:

H1 – богатые лизином,

Н2А – богатые аргинином и лизином,

Н2В – умеренно богатые аргинином и лизином,

Н3 – богатые аргинином,

Н4 – богатые глицином и аргинином.

Природа негистоновых белков пока не достаточно выяснена. Негисто-

новые белки в настоящее время интенсивно изучаются. В их состав входят

сложные белки, ферменты, а также регуляторные белки. По своим свойст-

вам последние отличаются от гистонов и представлены кислыми белками.

В различных нуклеопротеинах количество нуклеиновой кислоты колеблет-

ся от 40 до 65% (например, в рибосомах про- и эукариот). В вирусных

нуклеопротеинах количество нуклеиновых кислот не превышает 2–5% от

общей массы. Так, у вируса табачной мозаики (ВТМ) на долю РНК *, прав-

да, с огромной молекулярной массой – около 2000000, приходится всего

около 2%. Остальная часть этой гигантской вирусной частицы приходится

на долю однотипных белковых субъединиц (рис. 2.3). Ионная связь между

РНК и белковыми молекулами ВТМ весьма непрочная и легко разрывается

даже в «мягких» условиях, что позволяет отделить РНК от белка. Интерес-

но, что после удаления разрывающего ионную связь агента при смешивании

этих продуктов происходят полная регенерация исходного ВТМ, восстанов-

ление всех его физических параметров и биологических свойств, включая

способность поражать зеленый лист. Это явление самосборки, впервые

открытое у ВТМ, в дальнейшем было обнаружено также у бактериофагов,

представленных нуклеопротеинами. Акад. А.С. Спирин и одновременно

М. Номура разделили 70S рибосомы (рибонуклеопротеины) на их состав-

* Растительные вирусы чаще всего содержат РНК, а вирусы, поражающие клетки

животных, содержат как РНК (вирус саркомы Рауса и др.), так и ДНК (вирус папилломы).

Бактериофаги также содержат РНК или ДНК в комплексе с белками.

87

а

б

ляющие и разработали условия для самосборки полноценных функциони-

рующих рибосом. В основе этого удивительного явления самосборки

лежит, по-видимому, программа, содержащаяся в первичной структуре как

белка, так и нуклеиновой кислоты и определяющая, какое количество

белковых молекул и в какой последовательности должно присоединиться

к единственной молекуле РНК (в случае ВТМ) или к 3 молекулам РНК (в

рибосомах), чтобы обеспечить высокую точность реконструкции надмо-

лекулярных структур.

В настоящее время и ядерный хроматин (ДНП), и рибосомы, и вирусные

нуклеопротеиды обычно рассматривают именно как надмолекулярные

комплексы или структуры, а отнесение этих образований в раздел «Слож-

ные белки» – в значительной степени дань традиции.

ЛИПОПРОТЕИНЫ

В последние годы достигнут определенный прогресс в выяснении хими-

ческой природы и структуры липопротеинов (ЛП). Этот класс сложных

белков состоит из белка и простетической группы, представленной каким-

либо липидом. В частности, в составе липопротеинов открыты нейтральные

жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, холестериды. Липо-

протеины широко распространены в природе: в растениях, тканях живот-

ных и у микроорганизмов – и выполняют разнообразные биологические

функции. Они входят в состав клеточной мембраны и внутриклеточных

биомембран ядра, митохондрий, микросом (структурированные липопро-

теины), а также присутствуют в свободном состоянии (главным образом

в плазме крови). К липопротеинам относятся, кроме того, тромбопласти-

ческий белок ткани легких, липовителлин желтка куриного яйца, некоторые

фосфолипиды молока и т.д. Установлено, что липопротеины участвуют

в структурной, комплексной организации миелиновых оболочек, нервной

ткани, хлоропластов, фоторецепторной и электронно-транспортной систем,

палочек и колбочек сетчатки и др.

Большинство ЛП синтезируется в печени или в слизистой оболочке

кишечника. Они содержат гидрофобное липидное ядро, окруженное поляр-

ными липидами и оболочкой из белков, получивших название  а п о б е л к и .

Различают 8 типов апобелков: апо-AI, АII, В, CI, СII, CIII, D и Е. Обычно

ЛП содержат до 5% углеводов (глюкоза, галактоза, гексозамины, фукоза,

сиаловая кислота), поэтому некоторые из них являются и гликопротеинами.

Липопротеины сыворотки крови подразделяют на отдельные классы

в зависимости от электрофоретической подвижности (с белками крови) и от

плотности при ультрацентрифугировании. Различают ЛП низкой плот-

ности (ЛПНП), очень низкой плотности (ЛПОНП), высокой плотности

(ЛПВП), очень высокой плотности (ЛПОВП) и ЛП промежуточной плот-

ности (ЛППП) (табл. 2.3).

Функции и значение отдельных классов ЛП в развитии артерио- и атеро-

склероза подробно рассматриваются в главе 17.

Механизм связывания белкового компонента с липидами. Имеются дан-

ные, что в образовании липопротеинов участвуют нековалентные силы

различной природы, определяемые наличием или отсутствием у липидного

компонента ионизированных групп атомов. Если в образовании липопро-

теина участвуют фосфолипиды, то между ними и белковой молекулой

возникает ионный тип связи (рис. 2.4).

Доказано также существование гидрофобных взаимодействий между

неполярными группами липидного компонента (например, радикалы

88