Основной белок костной ткани казеин гемоглобин эластин фиброин коллаген
§ 10. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Существуют несколько подходов к классификации белков: по форме белковой молекулы, по составу белка, по функциям. Рассмотрим их.
Классификация по форме белковых молекул
По форме белковых молекул различают фибриллярные белки и глобулярные белки.
Фибриллярные белки представляют собой длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси и скреплены друг с другом поперечными сшивками (рис. 18,б). Эти белки отличаются высокой механической прочностью, нерастворимы в воде. Они выполняют главным образом структурные функции: входят в состав сухожилий и связок (коллаген, эластин), образуют волокна шелка и паутины (фиброин), волосы, ногти, перья (кератин).
В глобулярных белках одна или несколько полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру – клубок (рис. 18,а). Эти белки, как правило, хорошо растворимы в воде. Их функции многообразны. Благодаря им осуществляются многие биологические процессы, о чем подробнее будет изложено ниже.
Рис. 18. Форма белковых молекул:
а – глобулярный белок, б – фибриллярный белок
Классификация по составу белковой молекулы
Белки по составу можно разделить на две группы: простые и сложные белки. Простые белки состоят только из аминокислотных остатков и не содержат других химических составляющих. Сложные белки, помимо полипептидных цепей, содержат другие химические компоненты.
К простым белкам относятся РНКаза и многие другие ферменты. Фибриллярные белки коллаген, кератин, эластин по своему составу являются простыми. Запасные белки растений, содержащиеся в семенах злаков, – глютелины, и гистоны – белки, формирующие структуру хроматина, принадлежат также к простым белкам.
Среди сложных белков различают металлопротеины, хромопротеины, фосфопротеины, гликопротеины, липопротеины и др. Рассмотрим эти группы белков подробнее.
Металлопротеины
К металлопротеинам относят белки, в составе которых имеются ионы металлов. В их молекулах встречаются такие металлы, как медь, железо, цинк, молибден, марганец и др. Некоторые ферменты по своей природе являются металлопротеинами.
Хромопротеины
В составе хромопротеинов в качестве простетической группы присутствуют окрашенные соединения. Типичными хромопротеинами являются зрительный белок родопсин, принимающий участие в процессе восприятие света, и белок крови гемоглобин (Hb), четвертичная структура которого рассмотрена в предыдущем параграфе. В состав гемоглобина входит гем, представляющий собой плоскую молекулу, в центре которой расположен ион Fe 2+ (рис. 19). При взаимодействии гемоглобина с кислородом образуется оксигемоглобин. В альвеолах легких гемоглобин насыщается кислородом. В тканях, где содержание кислорода незначительно, оксигемоглобин распадается с выделением кислорода, который используется клетками:
Гемоглобин может образовывать соединение с оксидом углерода (II), которое называется карбоксигемоглобином:
Карбоксигемоглобин не способен присоединять кислород. Вот почему происходит отравление угарным газом.
Гемоглобин и другие гем-содержащие белки (миоглобин, цитохромы) называют еще гемопротеинами из-за наличия в их составе гема (рис. 19).
Фосфопротеины
Фосфопротеины в своем составе содержат остатки фосфорной кислоты, связанные с гидроксильной группой аминокислотных остатков сложноэфирной связью (рис. 20).
К фосфопротеинам относится белок молока казеин. В его состав входят не только остатки фосфорной кислоты, но и ионы кальция. Фосфор и кальций необходимы растущему организму в больших количествах, в частности, для формирования скелета. Кроме казеина, в клетках много и других фосфопротеинов. Фосфопротеины могут подвергаться дефосфорилированию, т.е. терять фосфатную группу:
фосфопротеин + Н2 протеин + Н3РО4
Дефосфорилированные белки могут при определенных условиях быть снова фосфорилированы. От наличия фосфатной группы в их молекуле зависит их биологическая активность. Одни белки проявляют свою биологическую функцию в фосфорилированном виде, другие – в дефосфорилированном. Посредством фосфорилирования – дефосфорилирования регулируются многие биологические процессы.
Липопротеины
К липопротеинам относятся белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Эти белки встречаются в составе клеточных мембран. Липидный (гидрофобный) компонент удерживает белок в мембране (рис. 21).
Рис. 21. Липопротеины в клеточной мембране
К липопротеинам относят также белки крови, участвующие в транспорте липидов и не образующие с ними ковалентную связь.
Гликопротеины
Гликопротеины содержат в качестве простетической группы ковалентно связанный углеводный компонент. Гликопротеины разделяют на истинные гликопротеины и протеогликаны. Углеводные группировки истинных гликопротеинов содержат обычно до 15 – 20 моносахаридных компонентов, у протеогликанов они построены из очень большого числа моносахаридных остатков (рис. 22).
Читайте также: Ткань iris 507 характеристики
Гликопротеины широко распространены в природе. Они встречаются в секретах (слюне и т.д.), в составе клеточных мембран, клеточных стенок, межклеточного вещества, соединительной ткани и т.д. Многие ферменты и транспортные белки являются гликопротеинами.
Классификация по функциям
По выполняемым функциям белки можно разделить на структурные, питательные и запасные белки, сократительные, транспортные, каталитические, защитные, рецепторные, регуляторные и др.
Структурные белки
К структурным белкам относятся коллаген, эластин, кератин, фиброин. Белки принимают участие в формировании клеточных мембран, в частности, могут образовывать в них каналы или выполнять другие функции ( рис. 23).
Рис. 23. Клеточная мембрана.
Питательные и запасные белки
Питательным белком является казеин, основная функция которого заключается в обеспечении растущего организма аминокислотами, фосфором и кальцием. К запасным белкам относятся яичный белок, белки семян растений. Эти белки потребляются во время развития зародышей. В организме человека и животных белки в запас не откладываются, они должны систематически поступать с пищей, в противном случае может развиться дистрофия.
Сократительные белки
Сократительные белки обеспечивают работу мышц, движение жгутиков и ресничек у простейших, изменение формы клеток, перемещение органелл внутри клетки. Такими белками являются миозин и актин. Эти белки присутствуют не только в мышечных клетках, их можно обнаружить в клетках практически любой ткани животных.
Транспортные белки
Гемоглобин, рассмотренный в начале параграфа, является классическим примером транспортного белка. В крови присутствуют и другие белки, обеспечивающие транспорт липидов, гормонов и иных веществ. В клеточных мембранах находятся белки, способные переносить через мембрану глюкозу, аминокислоты, ионы и некоторые другие вещества. На рис. 24 схематически показана работа переносчика глюкозы.
Рис. 24. Транспорт глюкозы через клеточную мембрану
Белки-ферменты
Каталитические белки, или ферменты, представляют собой самую многообразную группу белков. Почти все химические реакции, протекающие в организме, протекают при участии ферментов. К настоящему времени открыто несколько тысяч ферментов. Более подробно они будут рассмотрены в следующих параграфах.
Защитные белки
К этой группе относятся белки, защищающие организм от вторжения других организмов или предохраняющие его от повреждений. Иммуноглобулины, или антитела, способны распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы или чужеродные белки, связываться с ними и способствовать их обезвреживанию.
Другие компоненты крови, тромбин и фибриноген, играют важную роль в процессе свертывания крови. Они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудов. Под действием тромбина от молекул фибриногена отщепляются фрагменты полипептидной цепи, в результате этого образуется фибрин:
фибриноген фибрин.
Образовавшиеся молекулы фибрина агрегируют, формируя длинные нерастворимые цепи. Сгусток крови вначале является рыхлым, затем он стабилизируется за счет межцепочечных сшивок. Всего в процессе свертывания крови участвует около 20 белков. Нарушения в структуре их генов является причиной такого заболевания, как гемофилия – сниженная свертываемость крови.
Рецепторные белки
Клеточная мембрана является препятствием для многих молекул, в том числе и для молекул, предназначенных для передачи сигнала внутрь клеток. Тем не менее клетка способна получать сигналы извне благодаря наличию на ее поверхности специальных рецепторов, многие из которых являются белками. Сигнальная молекула, например, гормон, взаимодействуя с рецептором, образует гормон-рецепторный комплекс, сигнал от которого передается далее, как правило, на белковый посредник. Последний запускает серию химических реакций, результатом которых является биологический ответ клетки на воздействие внешнего сигнала (рис. 25).
Рис.25. Передача внешних сигналов в клетку
Регуляторные белки
Белки, участвующие в управлении биологическими процессами, относят к регуляторным белкам. К ним принадлежат некоторые гормоны. Инсулин и глюкагон регулируют уровень глюкозы в крови. Гормон роста, определяющий размеры тела, и паратиреоидный гормон, регулирующий обмен фосфатов и ионов кальция, являются регуляторными белками. К этому классу белков принадлежат и другие протеины, участвующие в регуляции обмена веществ.
Интересно знать! В плазме некоторых антарктических рыб содержатся белки со свойствами антифриза, предохраняющие рыб от замерзания, а у ряда насекомых в местах прикрепления крыльев находится белок резилин, обладающий почти идеальной эластичностью. В одном из африканских растений синтезируется белок монеллин с очень сладким вкусом.
Читайте также: Изготовление парашюта из ткани
Основной белок костной ткани казеин гемоглобин эластин фиброин коллаген
На долю соединительной ткани приходится более 50 % массы тела животного. Существенной особенностью, отличающей ее от других и присущей в большей или меньшей степени всем ее разновидностям, является количественное преобладание межклеточного вещества над клеточными элементами. Межклеточный матрикс состоит из волокнистых компонентов, а пространство между ними заполнено основным веществом, содержащим гликопротеины. Волокнистые компоненты состоят из коллагеновых и эластиновых волокон.
Белковый состав соединительной ткани представлен в основном коллагеном и эластином, на их долю приходится практически 90 % всех белков. Это фибриллярные белки с характерной удлиненной формой молекулы, обусловленной параллельным расположением полипептидных цепей. Аминокислотный состав коллагена и эластина отличается от мышечных. В коллагене на долю остатков глицина и аланина приходится около 45 %, также содержатся такие аминокислоты: гидроксилизин и гидроксипролин. На долю пролина и гидроксипролина приходится около 21 %. В эластине суммарное содержание глицина, аланина, валина и пролина составляет почти 70 %. Изоэлектрическая точка смещена в слабокислую область [4]. Еще одной характерной чертой является регулярность в последовательности аминокислот, чего нельзя сказать о белках мышечной ткани. Для данных белков характерно присутствие повторяющихся участков аминокислот. В коллагене — в виде триплетов четырех видов (Х – иминокислота, Y – аминокислота):
— Gly — Х — Х -; — Gly — Х — Y -; — Gly — Y — Х -; — Gly — Y — Y -.
В эластине — тетрамер: — Gly — Gly- Val — Pro -; пентамер: — Pro — Gly — Val — Gly — Val -; гесамер: — Pro — Gly — Val — Gly — Val — Ala.
Для соединительнотканных белков характерно присутствие внутри- и межмолекулярных поперечных сшивок: альдольная, гистидин-альдольная, лейцин-норлейциновая, основание шиффа. В результате появляется возможность ковалентного связывания четырех боковых цепей друг с другом, причем они могут принадлежать разным молекулам белка.
В эластине значительно меньше содержание лизина это обусловлено тем, что боковые цепи четырех остатков аминокислоты ферментативным путем превращаются в десмозин, в результате формируется поперечная сшивка между соседними полипептидными цепями в молекуле эластина. Именно присутствие десмозина отличает эластин от всех других белков, включая и коллаген.
Благодаря своей уникальной структуре белки соединительной ткани в нативном состоянии не подвергаются действию протеолитических ферментов. Ткани, содержащие коллаген и эластин, отличаются особой прочностью, способностью выдерживать значительные нагрузки.
При всем сходстве данных белков, каждый из них является индивидуальным белком, со свойствами присущими только ему одному.
Молекула коллагена имеет относительную молекулярную массу 300000, длину 280 нм и толщину 1,4 нм. Каждая a-цепь содержит в среднем около 1000 аминокислотных остатков. Еще одной особенностью коллагена является его гетерогенность. В настоящее время описано 28 типов коллагена, которые кодируются более чем 40 генами. Они отличаются друг от друга по аминокислотной последовательности, а также по степени модификации – интенсивности гидроксилирования или гликозилирования. Общим для всех коллагенов является существование одного или более доменов, содержащих тройную спираль и присутствие их во внеклеточном матриксе [5].
Эластин изучен меньше, чем коллаген. Наличие гибкой случайной конформации молекул эластина и большое количество поперечных сшивок обеспечивает исключительное свойство эластической ткани — обратимую деформацию под влиянием механического воздействия.
Практическое применение имеет в основном коллагенсодержащее сырье, это связано со способностью коллагена образовывать гели при взаимодействии с водой. Коллаген находит широкое применение в медицине для пластики сосудов, дефектов кожи, кости, мозговой оболочки, тазового дна, трахеи, печени и селезенки. Применяется в виде гемостатических средств и тампонов, мембран для диализа, шовного материала, а также для доставки лекарственных средств в организм человека, в пищевой промышленности – в качестве гелеобразователя.
Цель работы исследование возможности использования соединительнотканных белков в качестве носителей биологически активных веществ.
Материалы и методы исследований
Читайте также: Органайзер для белья в шкаф своими руками из ткани
Объектами исследования были сухожилия и выйная связка крупного рогатого скота, желатин, растворы гидролизатов коллагена и эластина, соли йода и железа, а также растительные настои, содержащие фенольные соединения, в частности антоцианы.
Основные этапы получения гидролизата коллагена: измельчение сухожилий, последовательная солевая и кислотная экстракция, тепловая обработка и охлаждение. Раствор гидролизата коллагена имел светло-матовый цвет, без видимых границ раздела фаз.
Эластин выделяли из выйной связки при последовательной экстракции: солевой, щелочной, водной. Растворимую форму белка получали методом биотрансформации.
Гидролизат представляет собой сложную смесь пептидов, жидкость светло-желтого цвета, без вкуса и запаха. Содержание белка в 1 мл гидролизата коллагена и эластина составило 30 мг и 40 мг соответственно.
При проведении экспериментов использовали аналитические методы качественного и количественного анализа.
Результаты исследований и их обсуждение
В результате проведенных исследований получены растворимые формы соединительнотканных белков – гидролизаты коллагена и эластина, которые исследовали в качестве матрицы микроэлементов, в частности железа и йода.
Источниками микроэлементов служили сульфат железа (II) и йодид калия. Одним из основных условий при проведении реакции являлся показатель рН среды. Выбор рН среды связан со свойствами микроэлементов и фермента. Так, в кислой среде йод восстанавливается до молекулярного состояния и улетучивается, в щелочной среде рН > 8,0 образуется гипойодид. Фермент при рН выше 6,0 инактивируется. Учитывая данные факторы, в растворах устанавливали рН 7,0 – 7,2. Расчет вводимого количества йодида калия производили по содержанию йода (76,5%).
При взаимодействии железа и гидролизатов коллагена и эластина были исследованы значения рН (9,0; 5,5; 3,5)±0,2. При рН 9,0±0,2 наблюдалось изменение окраски от светло-желтого (гидролизат эластина) и светло-матового (гидролизат коллагена) до темно-коричневого цвета с выпадением осадка в виде хлопьев, что снижало органолептические свойства и указывало на окисление железа.
При рН среды 3,5 и 5,5 наблюдалось одинаковое связывание железа без визуальных изменений растворов. Однако, учитывая значения рН максимальной устойчивости комплексов и большинства пищевых систем, выбрано значение 5,5±0,2.
Оптимальная температура процессов связывания йода и железа соединительнотканными белками выбрана 0-4 °С, так как при положительных температурах возможно микробное обсеменение исследуемых растворов.
Известно, что химические процессы протекают во времени. Для установления максимальной степени связывания в растворы гидролизатов эластина и коллагена вносили разные концентрации солей железа и йода и контролировали содержание микроэлементов через каждые 2 часа. Концентрации микроэлементов были подобраны исходя из суточной потребности организма человека в них [3]. Экспериментально установлено, что максимальное взаимодействие железа с гидролизатами наблюдалось по истечении 24 часов, в случае йода – 20 часов.
По результатам исследований учитывая совокупность данных по ИК — спектроскопии (о наличии полиглициновых структур и отсутствие связи C-I), содержанию глицина в гидролизатах, диссоциацию йодида калия в растворах на ионы, избирательное расщепление пептидной цепи пепсином (Х- глицин) можно предположить о возможности возникновения ионной связи между протонированными группами NH3+ гидролизатов и I-. На основании приведенных доводов, предложена гипотетическая модель связывания йода гидролизатами соединительнотканных белков:
Для выяснения взаимодействия катиона железа с пептидами эластина и коллагена проведены исследования с использованием методов ИК и ЯМР-спектроскопии.
При ИК-спектроскопии в области 1400-1390 см-1 у образцов гидролизата эластина присутствует пик, который отвечает за группировку COO- . Данная область не содержит аналогичный пик в спектре в образцах эластин-железо. Следовательно, можно предположить, что свободная карбоксильная группа, присутствующая в пептидах гидролизата эластина, присоединила к себе железо с образованием комплекса. В диапазоне спектра 1130-1080 см-1 в образцах «эластин-железо» и «коллаген — железо» наблюдалось появление пиков, отвечающих за сульфатную группировку и свидетельствующих о возникновении ионной связи с SO42-.
Для более полной информации о взаимодействии между соедительнотканными белками и железом исследовали ядерно-магнитно-резонансные (ЯМР) спектры опытных образцов.
Анализ спектров показал, что в гидролизатах содержится большее количество СОО- групп (области 160-180 м.д., наличие большего количества пиков), в отличие от той же области в гидролизатах с железом. В области 50-65 м.д., которая отвечает за >СН-N
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом