Биологические функции белка. Энергетическая функция белков: примеры и описание. Какие белки и где осуществляют энергетическую функцию

Известно, что в специальных клетках животных и растений производятся гормоны , регуляторы физиологических процессов. Многие гормоны - белки. К ним, например, относятся все гормоны, производимые в особых клетках мозга, находящихся в гипоталамической части его и в гипофизе . Это гормон роста , адренокортикотропный гормон ( АКТГ), тиреотропный гормон ( ТТГ) и другие гормоны гипофиза, а также либерины и статины гипоталамуса, усиливающие или подавляющие синтез и выход в кровь гормонов гипофиза. Успехи в химическом синтезе белков и особенно успехи в области генной инженерии привели к тому, что многие из числа этих гормонов производят уже в больших количествах, как исключительно важные лекарственные средства. Так, синтез участка ДНК - гена человека, который ответствен за синтез гормона роста, обеспечил его производство. Применение этого гормона в лечении детей, у которых задержан рост из-за недостатка гормона роста, обеспечивает их нормальное развитие. Без такого лечения они остались бы лилипутами. Белками являются и гормоны, производящиеся в специальных клетках поджелудочной железы,- инсулин и глюкагон . При недостатке инсулина у человека развивается сахарный диабет. Из-за недостатка этого гормона глюкоза из крови плохо переносится в клетки. Клетки человеческого тела при этом голодают, хотя в крови накапливается большой избыток глюкозы. Для лечения таких больных получают инсулин из поджелудочной железы животных. Поскольку строение бычьего инсулина несколько отличается по первичной структуре (по последовательности аминокислот) от человеческого гормона, то не все больные переносят его. Синтез человеческого инсулина генно-инженерными методами открыл новые возможности для лечения таких больных.

Следует заметить, что не всегормоны - белки. Некоторые гормоны-производные аминокислот, например адреналин , мелатонин , тритетраиодтиронин ( гормоны щитовидной железы) и др. Известны гормоны - производные нуклеотидов и липидов. Однако и белковые, и небелковые гормоны, как правило, влияют на организм, главным образом изменяя активность определенных ферментов. При этом ряд гормонов усиливает или подавляет активность уже готовых, предсуществующих в клетке ферментов, например вследствие присоединения к ним фосфатных химических групп.

Фосфорилирование ферментного белка изменяет его третичную структуру, конформацию. В результате этого активность некоторых ферментов повышается, а некоторых - падает. Иные гормоны изменяют содержание ферментного белка в клетке, усиливая его синтез. Во всех этих случаях под действием гормонов изменяется интенсивность ферментных реакций, и этим способом регулируются многие физиологические процессы. Известна большая группа белковых факторов роста , которые активируют ферменты синтеза ДНК в клетках и, таким образом, усиливают деление клеток. Это важно для восстановления тканей при ранениях, а также после операций.

Наш организм состоит из различных микроэлементов и веществ. За счет их постоянного преобразования мы можем жить и выполнять свои дела. Мы даже не задумываемся о том, что каждую минуту жизни мелкие частицы нашего тела постоянно работают, принося нам пользу. Естественно, задача каждого человека состоит в том, чтобы постоянно пополнять их запасы.

Вещества для жизнедеятельности организма

Основными веществами, которые позволяют нам полноценно функционировать, являются углеводы, белки и жиры. Эти вещества в разных пропорциях находятся практически во всех продуктах, но важно соблюдать баланс этих элементов, так как в противном случае могут начаться проблемы со здоровьем. В данной статье мы рассмотрим как они могут давать организму энергию.

Что за вещество - белки?

Это элементы, которые представляют собой цепочки аминокислот. Они обладают большой молекулярной массой, так как одна молекула вмещает в себе несколько аминокислот, которые соединяются полипептидной связью. Одна единица, составляющая белок, представлена какой-либо аминокислотой.

Это вещество является незаменимым стройматериалом для организма. Из аминокислот и белков строится практически все в организме: от них зависит обеспечение человека кислородом, так как гемоглобин - Данное вещество помогает поддерживать иммунитет, участвует в синтезе гормонов, так необходимых для регуляции многих внутренних процессов. На него также возложена энергетическая функция, которая ему не свойственна в полноте. Без него очень сложно организму развиваться и расти. Но и избыток белков не нужен нам. От большого их количества происходят процессы брожения и другие негативные влияния на клетки и органы.

Основные их функции

Белки выполняют много функций, за счет этого организм не испытывает недостаток в регуляции каких-либо процессов, продуцировании новых клеток, иммунной защите и так далее. Рассмотрим их подробнее.

Каталитическая . Аминокислоты, соединяясь определенным образом, создают ферменты, которые отвечают за скорость определенных реакций в организме. Речь идет не об одном десятке занятых катализацией ферментов. Их у нас порядка нескольких тысяч, и контролируют они до 4000 реакций. Все эти процессы объединяются в одно понятие - обмен веществ. Именно белки определяют, с какой скоростью он будет происходить.
Структурная - с помощью определенных белков сохраняется форма внутренних клеток, в снаружи мы имеем постоянной формы ногти, волосы и так далее.
Защитная функция. Она заключается в том, что белки, входящие в состав биологических жидкостей, веществ и клеток, обеспечивают защиту на физическом, химическом, иммунном уровне.
Регуляторная - есть такие белки, которые не являются стройматериалами клеток, не участвуют в метаболизме, энергетическая функция для них не свойственна, но занимаются они регуляцией процессов в клетках. Они "следят" за передачей генетической информации, активностью и синтезом аминокислот.
Транспортная функция белков заключается в том, что они переносят важные и полезные вещества для организма с током крови или между клетками.
Рецепторная - иначе ее могут называть механохимической. Некоторые белки под действием разных сигналов могут менять свою длину, сокращаясь.
Энергетичекая функция белков - при расщеплении белков высвобождается некоторое количество энергии. Поэтому эти вещества в определенных обстоятельствах служат ее источником.

В каком случае возникает энергетическая функция белков?

Не всегда наше питание сбалансировано так, чтобы белки, жиры и углеводы поступали в наш организм именно в таком количество, как требуется. Поэтому часто возникает недостаток или избыток тех или иных веществ.

В случае длительного отсутствия достаточного количества углеводов и жиров на первый план выступает энергетическая функция белков. Организм не перестает потреблять энергию, поэтому именно соединения аминокислот начинают ее поставлять.

Как происходит высвобождение энергии?

Белки - уникальные вещества в организме. Вариаций их строения можт быть тысячи, в зависимости от этого их различают по свойствам. Расход этого вещества в течение длительного времени колоссальный, та же энергетическая функция белков приводит к их расщеплению, следовательно, необходимо их запас постоянно пополнять. В этом нам помогает наш же организм - есть множество клеток, которые синтезируют белок, причем определенного вида и свойства.

Высвобождение энергии происходит с процессом переваривания белков в разных отделах желудочно-кишечного тракта. Окончательное расщепление аминокислот происходит на клеточном уровне.

Преобразование белков в желудке

Энергетическая функция белков, примеры которой мы рассмотрим ниже, начинается с расщепления этих веществ в желудке. Здесь на помощь приходит это же вещество, только другой структуры - Он активно действует при определенных условиях (когда рН не выше 5,0 и не ниже 2,0). Посредством преобразования секрета желез желудка получается кислый желудочный сок, что благоприятно сказывается на работе пепсина.

Уже на этом этапе начинается энергетическая функция белков. Пепсин - один из многих ферментов, который способен расщеплять коллаген (основной в соединениях ткани мяса). Соединяясь с водой (гидролиз), он образует промежуточные продукты распада и маленькую долю тепла, которое рассеивается по организму, участвуя в энергетическом обмене. Можно сказать, что белки, выполняющие энергетическую функцию, по своей структуре не ферменты, так как последние только помогают эту функцию осуществить другим веществам.

Участие поджелудочной железы в расщеплении белков

Поджелудочная железа не принимает в себе вещества для расщепления. Но она является поставщиком необходимых ферменов, поэтому без нее в переваривании белков трудно обойтись. Она обеспечивает органы пищеварения панкреатическими ферментами: проэластазой, хемотрипсином, трипсином, карбоксиполипептидазой.

Расщепление в кишечнике

Не все белки подвергаются полному распаду в кишечнике, хотя над этим трудится много веществ. Даже в конце переваривания могут оставаться дипептиды и трипептиды. Лишь некоторые аминокислоты выходят из этого отдела ЖКТ единичными.

Трипсин и хемотрипсин помогают белкам преобразоваться в полипептиды, выделяя при нехватке глюкозы в организме тепло, здесь продолжает свое действие энергетическая функция белков. Примеры такого преобразования мы можем наблюдать каждый день, когда употребляем различные вещества в пищу. После распада белков на полипептиды вступает в работу фермент карбоксиполипептаза - она отсоединяет отдельные аминокислоты от конца образовавшихся соединений. Проэластаза переваривает эластические волокна мясных продуктов и других сложных веществ.

Белки, выполняющие энергетическую функцию, проходят последний этап своего расщепления в тонком кишечнике, двенадцатиперстной кишке. Там они подвергаются воздействию ворсинок, которые содержат в себе пептидазы. Эти вещества, взаимодействуя с кишечной жидкостью, заканчивают процесс расщепления полипептидов до маленького числа аминокислот. Далее процесс распределения тепла как энергии от распада белков происходит на клеточном уровне, а конечными продуктами расщепления этих сложных по структуре веществ являются мочевая кислота, мочевина, вода и углекислый газ. Таким образом, мы увидели, где осуществляется энергетическая функция белков. Она не имеет конкретного места локализации аминокислот. Но осуществляется она от начала и до полного расщепления белка.

Клеточная энергия

Энергетическую функцию в клетке выполняют такие органеллы, как митохондрии. На мембране клеток есть молекулы-переносчики, которые перетаскивают продукты распада белков с молекул. В этом случае также выделяется энергия, которая помогает синтезировать молекулы АТФ и взаимодействует с кислородом. Даже на клеточном уровне можно ответить на вопрос о том, какие белки выполняют энергетическую функцию. Это такие вещества, которые не задействованы в ферментативной работе и строительной, так как в строительстве клеток организма принимают участие более уцелевшие во время расщепления полипептиды. Но и они в дальнейшем могут приносить маленькую долю энергии на клеточном уровне с помощью митохондрий и образовавшихся молекул АТФ (уникальный источник энергии для всех процессов в организме).

Существуют несколько видов защитных функций белков:

Физическая защита. В ней принимает участие коллаген - белок, образующий основу межклеточного вещества соединительных тканей (в том числе костей, хряща, сухожилий и глубоких слоёв кожи (дермы)); кератин, составляющий основу роговых щитков, волос, перьев, рогов и др. производныхэпидермиса. Обычно такие белки рассматривают как белки со структурной функцией. Примерами этой группы белков служат фибриногены итромбины , участвующие в свёртывании крови.

Химическая защита. Связывание токсинов белковыми молекулами может обеспечивать их детоксикацию. Особенно важную роль в детоксикации у человека играют ферменты печени, расщепляющие яды или переводящие их в растворимую форму, что способствует их быстрому выведению из организма .

Иммунная защита. Белки, входящие в состав крови и других биологических жидкостей, участвуют в защитном ответе организма как на повреждение, так и на атаку патогенов. Белки системы комплемента и антитела (иммуноглобулины) относятся к белкам второй группы; они нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки. Антитела, входящие в состав адаптативной иммунной системы, присоединяются к чужеродным для данного организма веществам, антигенам, и тем самым нейтрализуют их, направляя к местам уничтожения. Антитела могутсекретироваться в межклеточное пространство или закрепляться в мембранах специализированных В-лимфоцитов, которые называютсяплазмоцитами . В то время как ферменты имеют ограниченное сродство к субстрату, поскольку слишком сильное присоединение к субстрату может мешать протеканию катализируемой реакции, стойкость присоединения антител к антигену ничем не ограничена .

Регуляторная функция

Многие процессы внутри клеток регулируются белковыми молекулами, которые не служат ни источником энергии, ни строительным материалом для клетки. Эти белки регулируют транскрипцию, трансляцию, сплайсинг, а также активность других белков и др. Регуляторную функцию белки осуществляют либо за счёт ферментативной активности (например,протеинкиназы), либо за счёт специфического связывания с другими молекулами, как правило, влияющего на взаимодействие с этими молекулами ферментов.

Так, транскрипция генов определяется присоединением факторов транскрипции - белков-активаторов и белков-репрессоров - к регуляторным последовательностям генов. На уровне трансляции считывание многих мРНК также регулируется присоединением белковых факторов , а деградация РНК и белков также проводится специализированными белковыми комплексами . Важнейшую роль в регуляции внутриклеточных процессов играют протеинкиназы - ферменты, которые активируют или подавляют активность других белков путём присоединения к ним фосфатных групп.

Сигнальная функция

Сигнальная функция белков - способность белков служить сигнальными веществами, передавая сигналы между клетками, тканями, о́рганами и разными организмами. Часто сигнальную функцию объединяют с регуляторной, так как многие внутриклеточные регуляторные белки тоже осуществляют передачу сигналов.

Сигнальную функцию выполняют белки-гормоны, цитокины, факторы роста и др.

Гормоны переносятся кровью. Большинство гормонов животных - это белки или пептиды. Связывание гормона с рецептором является сигналом, запускающим в клетке ответную реакцию. Гормоны регулируют концентрации веществ в крови и клетках, рост, размножение и другие процессы. Примером таких белков служит инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови.

Клетки взаимодействуют друг с другом с помощью сигнальных белков, передаваемых через межклеточное вещество. К таким белкам относятся, например, цитокины и факторы роста.

Цитокины - небольшие пептидные информационные молекулы. Они регулируют взаимодействия между клетками, определяют их выживаемость, стимулируют или подавляют рост, дифференцировку, функциональную активность и апоптоз, обеспечивают согласованность действий иммунной, эндокринной и нервной систем. Примером цитокинов может служить фактор некроза опухоли, который передаёт сигналы воспаления между клетками организма .

Пластическая, строительная функция: белки – строительный материал живого, основа любой клетки, мембраны, субклеточных частиц.

Регуляторная функция:

ферменты – биокатализаторы белковой природы, регулирующие скорость химических реакций организма;
гормоны белковой природы – регуляторы обмена веществ организма;
специфические белки регуляторы, например белки тропонинового комплекса – регуляторы мышечного сокращения.

Транспортная функция: белки плазмы крови транспортируют липиды крови, типичным примером белка транспортера является гемоглобин, ацилпереносящий белок и т.д.

Защитная функция: примерами являются иммуноглобулины, белки свертывающей системы крови, интерферон и т.д.

белки обеспечивают видовую и индивидуальную специфичность (например: белки групп крови)

другие специфические функции:

опорно-механическая (белок – коллаген)
сократительная (мирозин, актин)
белки памяти
белки вкуса
токсикогенная функция (токсин ботулинуса является белком)
генно-регуляторная – регуляция матричной активности и перенос генетической информации
рецепторная (составляет основу структуры мембранных и цитозольных рецепторов)

Резервная (овальбулин яйца – запасной материал для развивающихся клеток)

энергетическая (неспецифическая функция: при распаде 1г. белка выделяется 17,1 кДж энергии)

По количественному содержанию в организме белки занимают второе место после воды, по значимости – первое место. В среднем принимают, что в сухом веществе организма содержится до 40-50% белка.

Только детально изучив строение белков и их свойства можно понять как перечисленные особенности белков, так и их функции.

Элементарный состав белков

Белками называют высокомолекулярные азотосодержащие органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью в полипептид, и имеющие сложную структурную организацию. Это определение включает характерные особенности белков, в частности, особенности элементарного состава.

Элементарный состав белка был изучен в прошлом веке и может может быть представлен в % следующим образом: С -50-55, О -21-24, N -15-18, H -6,5-7, - до 2,5, зола – до 0,5. обращает внимание довольно постоянная доля азота – 16%. Это находит практическое применение при определение количества белка: найденное путем анализа количество аминного азота умножают на коэффициент 6,25 (находят из пропорции 100 г. белка – 16 г. N = х г. белка – 1 г. N).

Мономерами – структурной единицей белка являются α-аминокислоты, на которые распадаются белки при гидролизе.(прием, используемый при изучении состава белков).

Свойств протеиногенных аминокислот

Протеиногенные аминокислоты относятся α-аминокислотам (аминогруппа расположена в α положении по отношению к карбоксильной группе). Различаются аминокислоты своими радикалами:

H 2 N – CH – COOH

Все аминокислоты, кроме глицина имеют ассиметрический атом углерода.

Все аминокислоты являются оптически активными: IO из них – левовращающие (-), 7 – правовращающие (+).

протеиновые аминокислоты относятся к L – ряду.

Аминокислотам присущи как свойства кислот, так и щелочей, т.е. они обладают амфотерностью. В интервале pH от 4.0 до 9.0 почти все аминокислоты существуют преимущественно в форме цвиттерионов с протонированной аминогруппой и диссоциированной карбоксильно группой.

каждая аминокислота наряду с общими свойствами, обладает рядом специфических свойств.

основной метод обнаружения аминокислот в гидролизатах – хроматография (ионообменная), использование аминокислотного анализатора; менее специфичными являются цветные реакции.