СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ (СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ)

Гликопротеины составляют большую группу сложных белков, содержащих в качестве простетической части углеводы и/или их производные, ковалентно-связанные с белком. При гидролизе гликопротеинов в углеводном компоненте обнаруживаются такие моносахариды, как D-галактоза, D-манноза, D-глюкоза, N-ацетилгалактозамин, N-ацетилглюкозамин и др.

Небольшие олигосахаридные группы могут присоединяться к белкам через O-гликозидную связь к гидроксилам остатков серина и треонина (рис. 9.1).

Рис.9.1. О-гликозидная связь в гликопротеинах

В ряде белков встречаются N-гликозидные связи с амидными группами Asn, реже Gln или NH₂ группами Lys и Arg (рис.9.2).

Рис. 9.2. N-гликозидная связь в гликопротеинах

По соотношению белковой и углеводной частей гликопротеины подразделяются на нейтральные и кислые. В нейтральных гликопротеинах углеводная часть может составлять от 3% до 15%, а у некоторых гликопротеинов 40%. К нейтральным гликопротеинам относятся яичный белок (овальбумин), гликопротеины плазмы крови (трансферрин, церуллоплазмин), белок щитовидной железы (тиреоглобулин).

В состав кислых гликопротеинов помимо амино и моносахаров входит уроновая кислота, которая имеет большое биологическое значение, принимая участие в обезвреживании билирубина и ряда ксенобиотиков, в том числе лекарственных средств. Важнейшими кислыми гликопротеинами являются гликопротеины, содержащие в составе гиалуроновые кислоты. Повторяющейся структурной единицей гиалуроновой кислоты служит дисахарид, состоящий из ацетилглюкозамина и глюкуроновой кислоты, соединенных β(1→3)-глюкозидной связью:

Отдельные дисахаридные остатки соединяются в цепь β(1→4)-глюкозидными связями. В глюкуроновой кислоте карбоксильная группа находится в ионизированном состоянии, поэтому гиалуроновая кислота является чрезвычайно гидрофильным соединением, удерживающим большое количество воды. Её растворы обладают высокой вязкостью.

Важным углеводным компонентом гликопротеинов является также хондроитинсерная кислота или хондроитинсульфат-полимер, состоящий из ацетилгалактозамина, этерифицированного серной кислотой и глюкуроновой кислоты. Ацетилгалактозамин и глюкуроновая кислота соединяются между собой β(1→3) глюкозидной связью:

Хондроитинсульфаты составляют целые семейства (А, В, С), содержащиеся в качестве компонентов соединительной ткани. Их структуры различаются по положению сульфатных остатков, соотношению глюкуроновой кислоты, N-ацетил-D-галактозамина и сульфата. В хрящевой ткани хондроитинсульфаты связываются с особым белком в виде хондромукоида; в костной ткани образуют осцемукоид. Хондроитинсульфаты относятся к мукополисахаридам с молекулярной массой в пределах от 50 до 100 кДа.

Муцины – мукополисахариды, полужидкие слизеобразные вещества, вырабатываемые пищеварительными железами, которые в комплексе с особыми белками играют важную роль в предохранении стенок пищеварительного тракта от механических, химических повреждений и самопереваривания. В состав мукоитинсульфата входит дисахаридный остаток, построенный из маннозамина и глюкуроновой кислоты, причем маннозамин этерифицирован двумя, тремя остатками серной кислоты.

Из природных источников животного и растительного происхождения выделены различные гликопротеины, выполняющие разнообразные функции: защитные (антитела, иммуноглобулины); регуляторные (фолликулстимулирующий, соматотропный гормоны); транспортные (трансферрин, церуллоплазмин, тиреоглобулин); гомеостатические (гепарин); структурные (гликофорин, муреин); образуюшие рецепторы и др.

Особую группу гликопротеинов составляют протеогликаны, в составе которых углеводный компонент преобладает и на его долю приходится от 80% и выше. Более того, эти вещества по своим свойствам более сходны с полисахаридами, чем с белками. Все они содержат глюкозамины или галактозамины.

В межклеточном матриксе содержатся крупные протеогликаны – агрекан и версикан. Кроме них в межклеточном веществе имеется целый набор так называемых малых протеогликанов. Агрекан – основной протеогликан хрящевого матрикса, составляющего 10% исходной ткани и 25% сухого хрящевого матрикса. Это очень крупная молекула, в которой к одной полипептидной цепи присоединены до 100 цепей хондроитинсульфатов и около 30 цепей кератинсульфатов. По форме молекула агрекана напоминает «ершик для мытья бутылок». В хрящевой ткани молекулы агрекана собираются в агрегаты с гиалуроновой кислотой и небольшим связывающим белком.

Оба компонента присоединяются к агрекану нековалентными связями в области определенного домена, взаимодействующего примерно с пятью дисахаридными единицами гиалуроновой кислоты. Далее этот комплекс стабилизируется связывающим белком.

Малые протеогликаны – протеогликаны с низкой молекулярной массой. Они содержатся в хрящях, сухожилиях, связках, менисках, коже и других видах соединительной ткани, имеют небольшой коровый белок, к которому присоединены одна или более цепи глизоамингликанов. Наиболее изучены декорин, бигликан, фибромодулин, люмикан, перликан. Коровые белки бигликана и декорина похожи по размерам и структуре. Они имеют несколько тандемных повторов, богатых лейцином, которые образуют α-спирали и β-структуры. На N- и C-концах этих белков расположены домены, содержащие S-S-связи.

Малые протеогликаны являются мультифункциональными макромолекулами. Они могут связываться с другими компонентами соединительной ткани и оказывать влияние на их строение и функции. Например, декорин и фибромодулин присоединяются к фибриллам коллагена второго типа и ограничивают их диаметр, препятствуя образованию толстых фибрилл. Присоединение декорина и бигликана к фибронектину подавляет клеточную адгезию, а присоединение фактора роста опухолей β снижает его митогенную активность. Малые протеогликаны играют важную роль в развитии и регенерации соединительной ткани.

Простетической группой фосфопротеинов является ортофосфорная кислота. Остатки фосфорной кислоты присоединяются к молекуле белка сложноэфирными связями по месту гидроксильных групп оксиаминокислот – серина и треонина. Чаще всего в фосфопротеинах преобладает именно соединения фосфорной кислоты с серином.

В фосфопротеинах выявлены пирофосфатные и фосфодиэфирные остатки, наличие которых указывает на то, что пептидные цепи могут быть соединены не только дисульфидными мостиками,но и остатками фосфорной кислоты.

С биологической точки зрения фосфопротеины являются питательными веществами необходимыми для растущего организма. Прежде всего фосфопротеины вместе с необходимым пулом аминокислот участвуют в формирование скелета. Типичными представителями этих сложных белков являются казеины, существующие в нескольких формах и различающиеся между собой по содержанию фосфата и аминокислотным составом. Несколько различных фосфопротеинов найдено среди белков яиц: овальбумин – фосфопротеин яичного белка, вителленин и фосвитин, выделенные из яичного желтка. Ихтулин, обнаруженный в икре рыб, играет немаловажную роль в развитии эмбриона рыб. Пепсин, являясь протеолитическим ферментом, относится к фосфопротеинам и содержит одну молекулу фосфорной кислоты на одну молекулу этого белка. Фосфатная группа присоединяется к радикалу серина, находящемуся в пептидной цепи рядом с глутаминовой кислотой. Фосфопротеинами являются также ферменты фосфоглюкомутаза и фосфорилаза.

Липопротеины – высокомолекулярные структуры, большинство из которых являются транспортной формой липидов. Липопротеины состоят из белков и липидов (рис. 9.3). В отличие от липидов, липопротеины растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях. Прочность связи белков с липидами в липопротеинах неодинакова и зависит от того, есть ли в молекуле липида ионизированные группы атомов. Липопротеины широко представлены в плазме крови, нервной ткани, молоке, участвуют в построении плазматических мембран. Все типы липопротеинов имеют сходное строение: гидрофобное ядро и гидрофильный слой на поверхности. Гидрофильный слой образован белками, которые называют апопротеинами, и амфифильными молекулами липидов – фосфолипидов и холестерина. Гидрофильные группы этих молекул ориентированы в водную фазу, а гидрофобные части – к гидрофобному ядру липопротеина, в котором находятся транспортируемые липиды.

Рис. 9.3. Схема строения липопротеиновой частицы: НЭСХ – неэтерифицированный (свободный) холестерин, ЭХС – этерифицированный холестерин, ТГ – триацилглицеролы, ФЛ – фосфолипиды

Некоторые апопротеины интегральны и не могут быть отделены от липопротеина, а другие могут свободно переноситься от одного типа липопротеина к другому. В липопротеинах апопротеины выполняют несколько функций: формируют структуру липопротеина; взаимодействуют с рецепторами на поверхности клеток; определяют какими тканями будет захвачен липопротеин; служат ферментами или активаторами ферментов, действующих на липопротеин.

В организме синтезируются следующие липопротеины: хиломикроны (ХМ), липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеины промежуточной плотности (ЛППП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП), липопротеины высокой плотности (ЛПВП), см.табл. 9.1.

Состав и некоторые характеристики липопротеинов плазмы крови

Типы липопротеинов	Хиломикроны	ЛПОНП	ЛППП	ЛПНП	ЛПВП
Белки, %	2	10	11	22	50
ФЛ, %	3	18	23	21	27
ХС, %	2	7	8	8	4
ЭХС, %	3	10	30	42	16
ТАГ, %	85	55	26	7	3
Функции	Транспортирование липидов из клеток кишечника	Транспортирование липидов, синтезируемых в печени	Промежуточная форма превращения ЛПОНП в ЛПНП под действием фермента ЛП-липазы	Транспортироние холестерина в ткани	Удаление избытка холестерина из клеток и других липопротеинов
Место образования	Эпителий тонкого кишечника	Клетки печени	Кровь	Кровь	Клетки печени, ЛПВП-предшественники
Плотность, г/мл	0,92-0,98	0,96-1,00	–	1,00-1,06	1,06-1,21
Диаметр частиц, нМ	Больше 120	30-100	–	21-100	7-15
Основные аполипопротеины	В 48,С 2, Е	В-100, С 2, Е	В-100, Е	В-100	А-1, С-2, Е

Функции апопротеинов следующие: В-48 – основной белок хиломикронов; В-100–основной белок ЛПОНП, ЛПНП, ЛППП, взаимодействующий с рецепторами ЛПНП; С-2 – активатор ЛП-липазы, переносится с ЛПВП на ХМ и ЛПОНП в крови; Е – взаимодействует с рецепторами ЛПНП; А – активатор фермента лецитин-холестеринтрансферазы (ЛХАТ).

Липопротеины хорошо растворимы в крови, не слипаются, т. к . имеют небольшой размер и отрицательный заряд на поверхности. Некоторые липопротеины легко проникают через стенки капилляров кровеносных сосудов и доставляют липиды к клеткам.

Хиломикроны, имеющие большие размеры, не могут преодолеть капилляры и поэтому сначала попадают в лимфатическую систему, а потом через главный грудной проток вливаются в кровь вместе с лимфой.

Сложные белки могут в качестве небелковой части могут содержать

металлы (такие, как медь, железо, магний, цинк, селен и др.). Объединение белковой части с металлом, как правило, происходит посредством коплексной связи, без каких либо специальных группировок атомов. К числу металлопротеинов относятся около сотни ферментов, например, полифенолоксидаза, цитохромоксидаза (содержат Cu), карбоангидраза, алкогольдегидрогеназа, карбоксипептидаза, ДНК-и РНК-полимеразы (содержат Zn), цитохромы, каталаза, пероксидаза содержат Fe. Важная функция металлопротеинов связана с транспортированием металлов и/или их накоплением. К транспортным белкам относится металлопротеин трансферрин. Он синтезируется в печени и способен связывать только окисленное железо. Поступающее в кровь железо окисляется с помощью феррооксидазы, являющейся медь-содержащим белком плазмы крови церулоплазмином. Одна молекула трансферрина может связать один или два иона Fe, но одновременно с анионом CO c образованием комплекса трансферрин-2. В норме трансферрин крови насыщен железом примерно на 33%.

Ферритин – олигомерный белок, состоящий из тяжелых и легких полипептидных цепей, составляющих 24 протомера. Это пример металлопротеина, депонирующего железо. Ферритин может находиться в нескольких изоформах в зависимости от разного набора протомеров. По своей архитертуре ферритин – полая сфера, внутри которой может содержаться от 3000 до 45000 ионов трехвалентного железа. Тяжелые цепи ферритина окисляют двухвалентное железо с образованием трехвалентного. Ферритин содержится почти во всех тканях, но в наибольшем количестве в печени, селезенке и костном мозге.

Инсулин – гормон, вырабатываемый β-клетками поджелудочной железы и синтезирующийся в виде неактивного предшественника – препроинсулина, в ходе последовательного протеолиза в конечном итоге расщепляется до инсулина и С-пептида. Инсулин и С-пептиды в эквимолярных количествах включаются в секреторные гранулы. В гранулах инсулин соединяется с цинком, образуя димеры и гексамеры (рис. 9.2).

Особое внимание необходимо уделить железо-серным белкам, содержащим негемовое железо. FeS-белки входят в состав электроннотранспортной цепи в комплекс I (содержащим кроме FMN не менее пяти железо-серных белков) и комплекс III, включающий один FeS-белок, цитохром с₁ и две разные формы цитохрома b.

Атомы железа в FeS-белках собраны в несколько групп, т.н. железо-серных центров. Известны 3 типа FeS-центров – FeS, Fe₂S₂, Fe₄S₄, в которых атом железа связан с атомом серы остатков цистеина или неорганической серы (рис.9.3).

Рис.9.3. Железо-серные центы ферритина: Fe₂S₂-центр (слева), Fe₄S₄-центр (справа)

FeS-центр – атом железа связан координационными связями с четырьмя атомами серы, принадлежащими четырем остаткам цистеина в белке; Fe₂S-центр ‒ каждый из двух атомов железа связан координационными связями с двумя атомами неорганической серы и двумя остатками цистеина в белке; Fe₄S₄-центр ‒ ( четыре атома железа), каждый из четырёх атомов железа связан с четырьмя атомами серы и четырьмя остатками цистеина в белке.