Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия белков
Характеристика отдельных белков, участвующих в обеспечении мышечной работы

Сократительные белки. Клетки скелетных мышц и других тканей, кото­рые обеспечивают процессы движения, содержат сократительные белки — миозин и актин (см. главу 14).

Миозин является высокомолекулярным фибриллярным белком с моле­кулярной массой 490 000. Фибриллярная нить миозина достаточно длин­ная (около 160 нм) и неоднородна. Она имеет утолщение — головку и длинный хвост, состоящий из двух полипептидных цепей, закрученных от­носительно друг друга в двойную спираль (рис. 90, а). Головка имеет гло­булярную форму и выступает относительно основной части белка. На ней находятся центры связывания с актином и с АТФ. Часть молекулы миози­на в области головки обладает ферментативной аденозинтрифосфатазной активностью (АТФ-аза), способной расщеплять АТФ до АЦФ и фосфата (Н₃РО₄) с высвобождением энергии. Длинный "хвост» молекулы миозина состоит из легкого (1) и тяжелого (2) меромиозина. Последний имеет гиб­кие шарнирные участки, которые играют важную роль в образовании тол­стых миозиновых нитей миофибрилл и в сокращении мышц. Многочислен­ные молекулы миозина образуют толстые нити в миофибриллах скелетных мышц.

Актин — это высокомолекулярный белок с молекулярной массой 46 000. Он существует в двух формах: глобулярной (G-актин) и фибриллярной (F-актин). Эти формы актина могут взаимопревращаться (рис. 90, б). G-актин способен прочно связывать ионы Са²⁺ и одну молекулу АТФ или АДФ. Расщепляя АТФ, G-актин превращается в полимер фибриллярной структуры. Такой переход осуществляется в присутствии ионов К⁺ и Мg²⁺.

В скелетных мышцах фибриллярная форма актина образует двухце­почную скрученную нить, которая является основой тонкой нити миофибрилл.

Белки соединительной ткани. Соединительная ткань (сухожилия, связки, органическая часть костей, хрящи, подкожная клетчатка, роговица глаза и др.) выполняет строительную и опорную функции, объединяет клетки в определенные структуры, придает им прочность и эластичность, что играет большую роль в мышечной деятельности. Основными ее ком­понентами являются белки коллаген и эластин.

Коллаген — это наиболее распространенный фибриллярный белок ор­ганизма. Он включает целое семейство белков со сложным строением и разными функциями, поэтому правильнее называть их коллагенами. Кол­лагены имеют большую молекулярную массу (около 300 000), не растворя­ются в воде и обладают высокой прочностью на разрыв. Фибриллы колла­гена могут выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их массу, а по прочности превосходить стальную проволоку их диаметра. Особенность коллагенов заключается в том, что они не способны растягиваться.

Большая прочность и другие свойства коллагенов связаны с особен­ностями строения его молекул — тропоколлагенов. Каждая молекула кол­лагена состоит из трех полипептидных цепей, скрученных в виде трех­жильного каната (рис. 91, а). Множество молекул коллагена объединяются в виде параллельных повторяющихся пучков, смещенных друг относитель­но друга, образуя коллагеновые фибриллы (рис. 91, б). Между отдельны­ми фибриллами имеются поперечные водородные связи, благодаря чему образуются практически не растяжимые волокна (рис. 91, в). С возрастом у человека образуется все больше поперечных связей в коллагеновых волокнах, в результате чего увеличивается жесткость и хрупкость костей, су­хожилий, снижается прозрачность роговицы глаза.

Рис. 90 Строение миозина (а) и актина (б)

Рис. 91 Строение молекулы коллагена (а), коллагеновых фибрилл (б), коллагеновых волокон соединительной ткани (в) и молекулы эластина (г)

В состав молекулы коллагена в большом количестве входят две основ­ные аминокислоты — глицин и аланин, а также две неосновные — 4-гидроксипролин и 5-гидроксилизин. Глицин занимает каждое третье положение в полипептидной цепи белка и играет важную роль в функции колла­гена. В связи с этим требуется достаточная обеспеченность организма данной аминокислотой. Прочность коллагеновых волокон зависит от наличия в тканях витамина С (аскорбиновой кислоты), который участвует в об­разовании коллагена.

Эластин в большом количестве находится в связках, стенках крупных сосудов, особенно в аорте, а также в других эластичных тканях. Он имеет меньшую молекулярную массу (около 72 000) и специфическое строение фибриллы.

Фибриллы эластина состоят из субъединиц — тропоэластина, которые соединены между собой поперечными связями и образуют сеть, способ­ную проявлять большую упругость (см. рис. 91, г). Благодаря специфичес­кому объединению полипептидных цепей с участием аминокислоты десми- на эластиновые волокна могут растягиваться в несколько раз и возвра­щаться к исходной длине при снятии нагрузки. Различия в физических свойствах эластина и коллагена обусловлены особенностью их аминокис­лотной последовательности.

Белки — переносчики кислорода. В процессе эволюции в живых ор­ганизмах появились специальные молекулы — переносчики кислорода, ко­торые связывают и доставляют кислород к клеткам различных органов, где он используется в процессах биологического окисления веществ. В орга­низме человека такими переносчиками служат два белка — гемоглобин и миоглобин.

Гемоглобин находится в эритроцитах крови и осуществляет транспорт кислорода от легких к тканям и углекислого газа — от тканей к легким. Он способен также связывать ионы водорода (Н⁺) и поддерживать постоян­ство активной реакции среды в эритроцитах, т. е. выступать в роли внут­риклеточного буфера.

Молекула гемоглобина имеет четвертичную структуру и состоит из че­тырех белковых субъединиц — двух a (а₁ и а₂) и двух β (β₁ и β₂), каждая из которых имеет характерную для нее третичную структуру и небелковую часть (рис. 92). Небелковая часть гемоглобина называется гемом, а бел­ковая — глобином. Гем содержит четыре пиррольных кольца, связанных в центре с атомом железа. Железо в геме может быть в ферроформе (Fe²⁺) или в ферриформе (Fe³⁺) и обеспечивает связывание кислорода (O₂). Свя­зывание кислорода осуществляет только двухвалентное железо. Присут­ствие гема придает белкам красный цвет. Глобин обеспечивает видовую специфичность гемоглобина.

В легких гемоглобин (Нb) взаимодействует с кислородом, образуя оксигемоглобин

или протонированную форму гемоглобина

Гемоглобин связывает и кислород, и ионы водорода (Н⁺) разными участками своей молекулы. Связывание гемоглобина с кислородом зави­сит от концентрации кислорода и ионов Н⁺ в среде. При высоком парци­альном давлении кислорода и более высоком значении pH венозной кро­ви, что наблюдается в тканях легких, гемоглобин быстро связывается с кислородом и освобождает протон водорода. При низком парциальном давлении кислорода (в тканях) и низком значении pH крови гемоглобин освобождает кислород и связывает протоны Н⁺, выступая в качестве бу­фера.

В тканях гемоглобин связывает углекислый газ (СO₂) белковой частью молекулы, в результате чего образуется карбамилгемоглобин:

Рис. 92 Строение гемоглобина (а), его субъединицы (б) и структура гема (а)

Такая форма гемоглобина доставляет СO₂ в легкие и способствует вы­ведению его из организма. Присоединение СO₂ к молекуле белка снижает сродство гема к O₂ и приводит к освобождению кислорода в тканях. Следовательно, гемоглобин способен осуществлять связывание и совмест­ный перенос газов (O₂, СO₂) и ионов Н⁺, что имеет огромное значение для энергетического обмена всех клеток организма человека.

Железо гемоглобина может прочно связывать молекулу угарного газа (СО), образуя карбоксигемоглобин (НbСО):

В таком состоянии гемоглобин не способен связывать и транспорти­ровать кислород. В организме возникает кислородное голодание (гипок­сия), что может привести к летальному исходу.

В крови взрослого мужчины в каждых 100 мл крови содержится 14—18 г гемоглобина, у женщин — 12—16 г. Каждый грамм Нb может связать 1,34 мл O₂. В среднем в 1 л крови содержится 160 г Нb. Такое количес­тво гемоглобина обусловливает кислородную емкость крови, составляю­щую в среднем 22 мл O₂ на 100 мл крови.

Миоглобин — это кислородтранспортный белок мышц, который на­ходится преимущественно в медленносокращающихся волокнах, прида­вая им красную окраску. Состоит он из одной полипептидной цепи по­добно субъединице гемоглобина, и небелковой части — гема (рис. 93).

Рис. 93 Строение миоглобина

Миоглобин легче, чем гемоглобин, связывает кислород и транспортиру­ет его к местам использования — митохондриям. Мышцы, поглощая кис­лород из крови, накапливают его в виде оксимиоглобина. Таким образом миоглобин создает резерв кислорода в мышцах, который используется для усиления окислительных процессов, например при физической рабо­те. У человека и высших животных, обитающих на суше, миоглобин связывает только около 14% кислорода, транспортируемого с кровью, тогда как у животных, живущих в воде (например, у тюленя), миоглобин связывает около 40 % всего кислорода, находящегося в организме жи­вотного.