Зображення тривимірної структури білка міоглобіну, що показує бірюзові α-спіралі. Даний білок був першим, структура якого була розкрита за допомогою рентгенівської кристалографії. У правому центрі серед котушок простетична група, яка називаєтьсягрупою гема (показана сірим кольором) зі зв’язаною молекулою кисню (червона).Схематичне представлення клітинного ядра, ендоплазматичного ретикулума і комплексу Гольджі. (1)Ядро клітини. (2)Пори ядерної мембрани. (3) Шорсткий (гранулярний) ендоплазматичний ретикулум. (4) Гладкий (агранулярний) ендоплазматичний ретикулум. (5)Рибосоми на поверхні щорсткого ендоплазматичного ретикулума. (6)Білки, що транспортуються. (7)Транспортні везикули. (8)Комплекс Гольджі.
Лінійний ланцюг із амінокислотних залишків називаєтьсяполіпептидом. Білок містить принаймні один довгий поліпептид. Короткі поліпептиди, що містять менше 20-30 залишків, рідко вважаються білками і їх зазвичай називаютьпептидами, а іноді іолігопептидами. Окремі амінокислотні залишки з’єднані між собоюпептидними зв’язками та сусідніми амінокислотними залишками.Послідовність амінокислотних залишків у білку визначаєтьсяпослідовністюгена, яка закодована вгенетичному коді. Загалом, генетичний код визначає 20 стандартних амінокислот; але у деяких організмів генетичний код може включатиселеноцистеїн і — у деякихархей —піролізин. Незабаром після або навіть під час синтезу залишки в білку часто хімічно модифікуються шляхомпосттрансляційної модифікації, яка змінює фізичні та хімічні властивості, згортання, стабільність, активність і, зрештою, функцію білків. Деякі білки мають приєднані непептидні групи, які можна назватипростетичними групами абокофакторами. Білки також можуть працювати разом для досягнення певної функції, і часто з’єднуються, утворюючи стабільнібілкові комплекси.
Після утворення білки існують лише протягом певного періоду, а потімрозкладаються та переробляються механізмами клітини в процесіобміну білків. Тривалість життя білка вимірюється з точки зору йогоперіоду напіврозпаду і охоплює широкий діапазон. Білки можуть існувати протягом хвилин або років із середньою тривалістю життя 1-2 дні в клітинах ссавців. Аномальні або неправильно згорнуті білки деградують швидше через те, що вони націлені на руйнування, або через їхню нестабільність.
Зазвичай білки є лінійнимиполімерами — поліпептидами, хоча інколи мають складнішу структуру. Невеликі білкові молекули, тобто олігомери поліпептидів, називаютьсяпептидами. Послідовність амінокислот у конкретному білку визначається відповіднимгеном і зашифрованагенетичним кодом. Хоча генетичний код більшості організмів визначає лише 20 «стандартних» амінокислот, їхнє комбінування уможливлює створення великого різноманіття білків із різними властивостями. Крім того, амінокислоти у складі білка часто зазнаютьпосттрансляційних модифікацій, які можуть виникати і до того, як білок починає виконувати свою функцію, і під час його «роботи» вклітині. Для досягнення певної функції білки можуть діяти спільно, і часто зв'язуються, формуючи великі стабілізованікомплекси (наприклад,фотосинтетичний комплекс).
Білки — важлива частина харчування тварин і людини, оскільки ці організми не можуть синтезувати повний набір амінокислот і повинні отримувати частину з них із білковою їжею. У процесітравленняпротеолітичні ферменти руйнують спожиті білки, розкладаючи їх до рівня амінокислот, які використовуються прибіосинтезі білків організму або зазнають подальшому розпаду для отриманняенергії.
Мульдеру, зокрема, належить перша модель хімічної будови білків, запропонована ним у1836 році. Виходячи з теорії радикалів, він сформулював поняття про мінімальну структурну одиницю у складі білків. Саме ця одиниця зі складом C16H24N405 отримала пізніше назву «протеїну» (Pr), а концепція — теорії протеїну[4]. Сам термін «протеїн», що в сучасному розумінні означає білок більшістю європейських мов, був запропонований у1838 році співробітником МульдераЯкобом Берцеліусом[5]. Перевірка цієї моделі привернула увагу відомих хіміків свого часу, таких якЮстус Лібіх іЖан-Батист Дюма. Під впливом нових даних теорія протеїну декілька разів корегувалася, але все ж до кінця 1850-х років від неї довелося повністю відмовитися.
До кінця19 століття вже було досліджено більшість амінокислот, що входять до складу білків. У 1894 році німецький фізіологАльбрехт Коссель висунув теорію, що амінокислоти є головними структурними елементами білків[6]. На початку 20-го століття німецький хімікЕміль Фішер експериментально довів, що білки збудовані з залишків амінокислот, сполученихпептидними зв'язками. Також він здійснив перші аналізи амінокислотного складу білків та дав поясненняпротеолізу. Після1926 року також стала зрозумілою центральна роль білків в організмах, коли американський хімікДжеймс Самнер (згодом — лауреатНобелівської премії) показав, що ферментуреаза також є білком[7].
Вивченню білків перешкоджала складність їхнього виділення. Тому перші дослідження білків проводилися з використанням тих поліпептидів, які могли бути очищені у великій кількості, тобто білків крові, курячих яєць, різнихтоксинів і травних/метаболічнихферментів, які можна було виділити в місцях забою худоби. Наприкінці 1950-х років компаніяArmour Hot Dog Co. змогла очистити кілограм бичачоїпанкреатичноїрибонуклеази А, яка стала експериментальним об'єктом для багатьох учених.
Особливістю досліджень білків початку 21-го століття є одночасне отримання даних про білковий склад цілихклітин,тканин абоорганізмів —протеоміка. У результаті необхідності аналізу цих даних та росту можливостей обчислювальних технологій активно розвиваються методибіоінформатики аналізу та порівняння білкових структур та обчислювальні методипередбачення структури білків, наприклад, методимолекулярної динаміки, призначені замінити в майбутньому експериментальне визначення білкових структур.
Схема утворення пептидного зв'язку. Ця реакція відбувається нарибосомі — молекулярній машині для складання білків.
Молекули білків є лінійнимиполімерами, що складаються зα-L-амінокислот (які ємономерами цих полімерів) і, в деяких випадках, з модифікованих основних амінокислот (щоправда,модифікації відбуваються вже після синтезу білка нарибосомі). Для позначення амінокислот в науковій літературі використовуються одно- або трибуквені скорочення. Хоча на перший погляд може здатися, що використання «всього» 20 основних типів амінокислот обмежує різноманітність білкових структур, насправді кількість варіантів важко переоцінити: для ланцюжка всього з 5 амінокислот воно становить вже більше 3 мільйонів, а ланцюжок з 100 амінокислот (невеликий білок) може бути представлений більш ніж у 10130 варіантах (для порівняння — кількість атомів у Всесвіті оцінюється приблизно у 1080). Поліпептидні ланцюжки завдовжки від двох до кількох десятків амінокислотних залишків зазвичай називаютьпептидами, а довші — власне білками або протеїнами, хоча цей поділ вельми умовний.
При утворенні білка в результаті взаємодії α-аміногрупи (-NH2) однієї амінокислоти з α-карбоксильною групою (-СООН) іншої амінокислоти утворюютьсяпептидні зв'язки. Кінці білка називають С- і N- кінцями (залежно від того, яка з груп кінцевої амінокислоти вільна: -COOH чи -NH2, відповідно). При природному синтезі білка на рибосомі нові амінокислоти приєднуються до C-кінця, тому назва пептиду або білка дається шляхом перерахування амінокислотних залишків починаючи з N-кінця.
У довгому поліпептидному ланцюжку між окремими його частинами виникають водневі зв'язки, в результаті поліпептидний ланцюжок закручується по спіралі. Спіраль ДНК підпорядковується правилузолотого перетину — відповідну закономірність можна побачити, спостерігаючи інтервали її вигинів[8]. Таким чином виникає подібна до спіралі структура білкової молекули, яку називають α-структурою білкової молекули. Наявність такої структури встановлена американським хіміком Л.Полінгом та Р.Корі на основі даних рентгеноструктурного аналізу. Таким чином, внутрішньомолекулярні водневі зв'язки впливають на просторову впорядкованість таких складних систем як білки й нуклеїнові кислоти. Водневі зв'язки між двома ланцюгами спіралі ДНК забезпечують геометричну конфігурацію цієї складної молекули, що відповідає за генетичну інформацію.
Послідовність амінокислот у білку відповідаєінформації, що міститься вгені даного білка. Ця інформація представлена у виглядінуклеотидної послідовності, причому одній амінокислоті відповідає одна або декілька послідовностей з трьохнуклеотидів — так званихкодонів. Те, яка амінокислота відповідає даному кодону вДНК тамРНК (проміжній ланцібіосинтезу білків), визначаєтьсягенетичним кодом, який може дещо відрізнятися у різних організмів.
Гомологічні білки (що виконують одну функцію і мають загальнееволюційне походження, наприклад,гемоглобіни) різних організмів мають в багатьох місцях ланцюжка різні амінокислотні залишки, які називають варіабельними, на противагу консервативним, спільним залишкам. За ступенем гомології можна оцінити еволюційну відстань між різнимитаксонами організмів.
Окрім послідовності амінокислот поліпептиду (первинної структури), для функціонування білків украй важлива тривимірна структура, яка формується в процесізгортання білків (або фолдинга, відангл.folding). Ця структура утримується в результаті взаємодії структур нижчих рівнів. Тривимірна структура білків за нормальних природних умов називаєтьсянативним станом білка. Хоча чимало білків здатні згортатися та приймати нативний стан самостійно, завдяки властивостям свого поліпептидного ланцюжка, інші вимагають допомоги інших білків,молекулярних шаперонів. Виділяють чотири рівні структури білків[9]:
Вторинна структура — локальне впорядковування фрагменту поліпептидного ланцюжка, стабілізованеводневими зв'язками ігідрофобними взаємодіями. Найпоширеніші типи вторинної структури білків включають[10]:α-спіралі (спіраль, що має 4 залишки на виток, стабілізована водневими зв'язками між пептидними групами з кроком у 4 ланки) іβ-листи (кілька зигзагоподібних поліпептидних низок, в яких водневі зв'язки утворюються між відносно віддаленими ділянками ланцюжка або між різними ланцюжками, а не між близько розташованими пептидними групами, як це характерно для α-спіралі). Інші елементи вторинної структури включаютьπ-спіралі (спіралі з кроком водневих зв'язків у 3 ланки),-спіралі (спіралі з кроком водневих зв'язків у 5 ланок), повороти, невпорядковані фрагменти та інші. Найпоширеніша єдина класифікація таких структур —номенклатура DSSP.
Приклади зображення тривимірної структури білків або їхніх фрагментів. Показаний білок —триозофосфатізомераза — складається з восьми α-спіралей, розташованих на зовнішній поверхні й восьми паралельних β-листів всередині (так звана структура αβ-бареля, відангл.barrel — «бочка»). Ліворуч — «паличкова» модель, із зображенням всіх атомів і зв'язків між ними. Кольорами позначені різні атоми. В середині — зображення елементів вторинної структури — α-спіралей і β-листів. Кольорами позначені типи елементів. Праворуч — контактна поверхня білка, на підставіван-дер-Ваальсових радіусів атомів. Кольорами позначені електростатичні властивості поверхні.
Третинна структура — повна просторова будова цілої білкової молекули, просторове взаємовідношення вторинних структур одна до одної. Третинна структура загалом стабілізується нелокальними взаємодіями, найчастіше формуваннямгідрофобного ядра, а також завдяки утворенню водневих зв'язків,сольових містків, інших типівіонних взаємодій,дисульфідних зв'язків між залишкамицистеїну.
До третинної структури зазвичай відносять і проміжні рівні між основними елементами вторинної структури та повною структурою білка — «надвторинну» структуру, що складається ізструктурних мотивів тадоменів. Структурні мотиви — невеликі усталені поєднання кількох елементів вторинної структури, що мають схожу структуру, важливу для виконання білком певних функцій. Схожі структурні мотиви зазвичай виконують схожі функції, завдяки чому за ними можна передбачити функцію невідомого білка. Хоча структурні мотиви можуть бутианалогічними, частіше за все вони зберігаються в процесіеволюції видів.Домени — дещо більші елементи структури білка, що характеризуються стабілізацією незалежною від решти поліпептидного ланцюжка, і що часто виконують окрему функцію. В процесі еволюції елементи надвторинної структури можуть передаватися між генами, надаючи їм нові функції, таким чином існує набагато менше різновидів цих елементів, ніж різних білків. Процес передачі доменів можна здійснити і штучними методамигенної інженерії, створюючихимерні білки.
Четвертинна структура — структура, що виникає в результаті взаємодії кількох білкових молекул, які в даному контексті називаютьсубодиницями. Повна структура кількох поєднаних субодиниць, що разом виконують спільну функцію, називаєтьсябілковим комплексом.
Розмір білка може вимірюватися за числом амінокислот або в одиницяхмолекулярної маси —дальтонах — Да (частіше, у зв'язку із великими розмірами молекул, в похідних одиницях — кілодальтонах — кДа). Найбільшим відомим одиничним білком єтітін (компонентсаркомерм'язів), що містить понад 29 тис. амінокислот і має молекулярну масу 3 МДа[11], а найбільший внутрішньоклітинний білковий комплекс —комплекс ядерної пори хребетних тварин — має масу близько 125 МДа[12]. Проте загалом важко говорити про найбільший розмір білкового комплексу, тому що часто комплекси мають дуже обмеженийчас життя, крім того, весь цитоскелет клітини, або позаклітинна матриця цілого організму може вважатися єдиним комплексом. Найменший білок також важко визначити, багато білків, що мають ензиматичну активність, не перевищують за розміром кілька десятків амінокислот, багато пептидних гормонів мають ще менші розміри. Інколи найменшим білком вважають єдину невелику амінокислотупролін, що має самостійну каталітичну активність[13].
За зовнішнім виглядом білки можуть бутипорошками,кристалами,волокнами чиколоїдами. В окремих випадках можливі переходи з одного стану в інший, наприклад, білок, що перебуває у стані колоїдного розчину привисолюванні може випасти в осад, а при відновленні оптимального pH повернутись до колоїдної форми.
Білки також характеризуютьсяізоелектричною точкою (pI) — кислотністю середовищаpH, при якому молекула даного білка не несеелектричного заряду. Чим більше в даному білкугідроксильних груп (основних залишків), тим вище у нього pI. Білки з pI, меншим за 7, називаються кислотними, а з більшим за 7 — основними. В цілому pI білка залежить від функції, яку він виконує; так, білки, що зв'язуються знуклеїновими кислотами, часто належать до основних. Прикладом таких білків єгістони.
За ступенемрозчинності у воді білки бувають розчинними (гідрофільними) і нерозчинними (гідрофобними). До останніх відносяться більшість білків, що входять до складубіологічних мембран, тобтоінтегральних мембранних білків, які взаємодіють з гідрофобнимиліпідами мембрани[14]. Гідрофобні взаємодії — взаємодії та зближення неполярних частин поліпептидних ланцюжків, що супроводжується послабленням їх взаємодії із оточуючою водою[15].
Гідрофобна взаємодія виникає завдяки зближенню двох неполярних груп (наприклад,аланіну йлейцину), доки вони не дотикнуться, причому це зближення супроводжується зменшенням[16] оточуючих їх молекул води — молекули води виштовхуються з тієї сфери, де виникає гідрофобна взаємодія. Здатністю до гідрофобних взаємодій наділені залишкиваліну,лейцину,ізолейцину,фенілаланіну тощо. Гідрофобні взаємодії, як і інші нековалентні зв'язки, відіграють роль створення та стабілізації структури, і є специфічними для кожного білка. Одиничні гідрофобні взаємодії, завдяки кооперативності багатьох таких взаємодій, утворюють дуже міцні асоціації, які стабілізують структуру білкової молекули. Вперше значення гідрофобних ділянокполіпептидного ланцюжка у формуванні конфігурації молекули білка показалиД. Л. Талмуд таС. Ю. Бреслер[ru].[джерело не вказане 2039 днів]
Білкові молекули класифікують за їхньою формою, хімічним складом і властивостями.
За формою молекули розрізняють два типи білків:фібрилярні таглобулярні. У фібрилярних білків поліпептидні ланцюги просторово розташовані уздовж однієї осі, внаслідок чого вони набувають шаруватої чи волокнистої будови. Більшість фібрилярних білків нерозчинні у воді, тому пов'язані зі структурною чи моторною функціями. У глобулярних білків поліпептидні ланцюги розташовані у різних площинах, внаслідок складення (скручування) молекули в глобулу. Такі білки, як правило, розчинні у воді і виконують сигнальну, регуляторну, каталітичну, захисну функції.
Прості білки за здатністю розчинятися поділяють на такі групи:гістони — розчинні лише у воді;альбуміни — розчинні у воді та сольових розчинах;глобуліни — розчинні тільки у слабких сольових розчинах;склеропротеїни — не розчинні у воді, кислотах, лугах, сольових розчинах[18].
Незворотна денатурація білка курячого яйця під впливом високої температури.
Як правило, білки протягом досить довгого часу зберігають структуру і, отже, фізико-хімічні властивості, наприклад,розчинність, в умовах (таких як pH, температура), до яких пристосований даний організм або які підтримуються в його межах в результаті збереженнягомеостазу[7]. Різка зміна цих умов, наприклад, внаслідок нагрівання або обробки білка кислотою чи лугом, призводить до втрати четвертинної, третинної і вторинної структур білка, а також обумовлених ними природних властивостей, — цей процес називаєтьсяденатурацією. Відомий випадок денатурації білка в побуті — приготування курячого яйця, коли під впливом високої температури розчинний у воді прозорий білоковальбумін стає щільним, нерозчинним і непрозорим.
Білки, що використовуються в технологічних методах і вимагають нетипових умов, часто підбираються зекстремофілів — організмів, здатних проживати в екстремальних умовах. Так, наприклад,ДНК-полімеразаTaq, що використовується вполімеразній ланцюговій реакції (ПЛР), може витримувати без денатурації багаторазове нагрівання до 95 °C. Вона була спочатку виділена збактеріїThermus aquaticus. Денатурація в деяких випадках оборотна, як, наприклад, припреципітації водорозчинних білків за допомогою солейамонію, і використовується як спосіб їхнього очищення[19].
Розташування білкових субодиниць у просторі та сукупністьконтактів і взаємодій між ними без огляду на внутрішню геометрію окремих одиниць. Це чітко визначена організація двохчи більше макромолекул з третинною структурою, таких якпротеїни, що утримуються разом за рахунок водневих зв’язків,кулонівських чи вандерваальсівських сил. Молекула білка, якане складається хоча би з потенційно розділюваних субодиниць(не зв’язаних ковалентними зв’язками), не має четвертинноїструктури (прикладомпротеїнів без четвертинної структури єрибонуклеаза, хемотрипсин).
Живі організми синтезують білки з амінокислот на основі інформації, закодованої вгенах. Кожен білок складається з унікальної послідовності амінокислот, яка визначається нуклеотидною послідовністю гену, що кодує даний білок.Генетичний код складається з трибуквених «слів», які називаютьсякодонами. Кожен кодон відповідає за приєднання до білка однієї амінокислоти: наприклад, поєднання AUG (АУГ) відповідаєметіоніну. Оскільки ДНК складається з чотирьох типівнуклеотидів, то загальне число можливих кодонів дорівнює 64; а оскільки в білках використовується 20 амінокислот, то багато амінокислот визначаються більш ніж одним кодоном. Гени, що кодують білки, спочаткутранскрибуються в послідовність нуклеотидівматричної РНК (мРНК) білкамиРНК-полімеразами.
Упрокаріотів мРНК може зчитуватисярибосомами в амінокислотну послідовність білків відразу після транскрипції, проте в більшості випадків уеукаріотів та інколи убактерій вона оброблюється в процесісплайсингу. Після цього еукаріоти повинні такожтранспортувати зрілу мРНК зядра в цитоплазму, де знаходяться рибосоми.
Швидкість синтезу білків вища у прокаріотів і може досягати 20 амінокислот в секунду[20].
Процес синтезу білка з мРНК називаєтьсятрансляцією. Під час початкової стадії трансляції — ініціації, кодон метионіну розпізнається малою субодиницею рибосоми, до якої за допомогою білковихфакторів ініціації приєднана метионіноватранспортна РНК (тРНК). Після розпізнавання стартового кодона до малої субодиниці приєднується велика субодиниця рибосоми, і починається друга стадія трансляції — елонгація. На кожному кроці рибосоми від 5'- до 3'-кінця мРНК прочитується один кодон шляхом утворення водневих зв'язків між трьома нуклеотидами (кодоном) мрРНК ікомплементарним йому антикодоном транспортної РНК, до якої приєднана відповідна амінокислота. Синтез пептидного зв'язку каталізуєрибосомна РНК (рРНК), що утворює пептиділтрансферазний центр рибосоми. Рибосомна РНК каталізує утворення пептидного зв'язку між останньою амінокислотою пептиду і амінокислотою, приєднаною до тРНК, позиціонуючи атомиазоту івуглецю в положенні, сприятливому для проходження реакції. Ферментаміноацил-тРНК-синтетаза приєднує амінокислоти до їхньої тРНК. Третя і остання стадія трансляції, термінація, відбувається при досягненні рибосомою стоп-кодону, який не кодує амінокислот, після чого білковіфактори термінаціїгідролізують останню тРНК від білка, припиняючи синтез. В рибосомах білки завжди синтезуються від N- до C-кінця.
У деякихгрибів і деяких бактерій існує менш поширений спосіб біосинтезу білків, який не вимагає участі рибосом. Синтез пептидів, зазвичайвторинних метаболітів (так званихнерибосомних пептидів), проводиться високомолекулярним білковим комплексом, NRP-синтетазою (відангл.nonribosomalpeptide synthetase — «нерибосомна синтетаза пептидів»). NRP-синтетаза зазвичай складається з декількох доменів або окремих білків, що здійснюють підбір амінокислот, утворення пептидного зв'язку, вивільнення синтезованого пептиду й іноді має домен, здатний ізомеризувати L-амінокислоти (нормальна форма) в D-форму[21][22].
Після завершення трансляції і вивільнення білка з рибосоми амінокислоти у складі поліпептидного ланцюжка зазнають різноманітних хімічних модифікацій. Ці модифікації здатні значно розширити різноманітність можливих білків, надаючи їм нові властивості. Прикладами посттрансляційних модифікацій служать:
утворення структурних змін (утворення дисульфідних містків міжцистеїнами);
білковий сплайсінг — видалення частини білка як на початку (сигнальна послідовність абометіонін, що кодується старт-кодоном), так і в окремих випадках в середині (інсулін);
При цьому тип модифікації може бути як універсальним — додавання ланцюжків, що складаються з мономерів убіквітину, служить сигналом для деградації цього білкапротеасомою — так і специфічним для даного білка[23]. Водночас один і той же білок може зазнавати численних модифікацій. Так,гістони, білки, що входять до складухроматину еукаріотів таархей, за різних умов можуть зазнавати до 150 типів різних модифікацій[24].
Багато білків, які синтезує клітина, призначені для використання у відповіднихорганелах, на мембранах клітини або у міжклітинному просторі, якого білки досягають шляхомсекреції. Правильне сортування критичне для клітини, помилки у цьому процесі часто призводять до хвороб. Процес сортування і транслокації білків здійснюється, виходячи з інформації, що міститься безпосередньо в самому білку. Ця інформація, так званісигнали сортування, може міститися як в пептидній послідовності білка, так і в просторовій структурі згорнутого білка.
Найпоширенішим механізмом сортування є розпізнавання N-термінальної сигнальної послідовності білка під час синтезу. В цьому випадку комплекс рибосоми з білком переміщається до поверхні шорсткогоендоплазматичного ретикулуму (ЕПР). Там поліпептид, що синтезується, розпізнається транслокаційним комплексом і проходить через мембрану ЕПР. У випадку білків, призначених до секреції, сигнальна послідовність під час синтезу відщеплюється від поліпептидусигнальною пептидазою. Для деякихтрансмембранних білків ця обробка дещо відрізняється.
Деякі білки транслюються цілком в цитозолі, після чого прямують до місця призначення. Це відбувається для білків, призначених длямітохондрій,хлоропластів абопероксисом (в останньому випадку білки зазвичай мають сигнальну послідовність на C-кінці). Також посттрансляційно переміщаються білки, призначені дляядра клітини, вони перетинаютьядерну оболонку черезядерні пори.
У бактерій основний механізм сортування білків цитоплазматичної мембрани подібний до еукаріотичного, проте для інших відділів клітини бактерії містять системи секреції I типу, II типу, III типу тощо.
Зображення моделі комплексу бактеріальних шаперонів GroES і GroEL. Агрегований білок поступає в центральну порожнину комплексу, де в результатігідролізуАТФ відбувається зміна його структури.
Здатність білків відновлювати правильну тривимірну структуру після денатурації дозволила висунути гіпотезу про те, що вся інформація про кінцеву структуру білка міститься в його амінокислотній послідовності. На початкуXXI століття загальновизнаною є теорія про те, що стабільна форма білка має мінімальнувільну енергію в порівнянні з іншими можливими формами цього поліпептиду[25].
Проте кінцева структура буває дуже складною, а процес її прийняття новосинтезованим поліпептидним ланцюжком вимагає деякого часу. Процес прийняття білком цієї структури називаєтьсязгортанням або фолдингом (відангл.folding). Невеликі однодоменні білки розміром до 100 амінокислот зазвичай згортаються за один крок, таке згортання займає кілька мілісекунд і зазвичай відбувається одночасно з трансляцією[26][27]. З іншого боку, великі складні білки вимагають кілька хвилин або годин для фолдингу, перш за все через ізомеризаціюпроліну та формування помилкових дисульфідних містків. Такі білки повинні пройти через ряд проміжних кроків для завершення процесу[28].
Багато білків не здатні завершити згортання самостійно і досягтинативного стану, часто через взаємодію з іншими білками клітини. Такі білки вимагають зовнішньої допомоги від білків спеціального класу —молекулярних шаперонів. Часто шаперони необхідні лише за певних умов, наприклад за умов теплового шоку, коли висока температура призводить до збільшення числа помилок згортання[29].
Важливість нормальної роботи шаперонів для функціонування організму може бути проілюстрована на прикладі шаперону α-кристаліну, що входить до складукришталикаока людини. Мутації в цьому білку призводять до помутніння кришталика черезагрегування білків і, як наслідок, до втрати кришталиком ока прозорості й докатаракти[30].
Класифікація білків за функцією може бути як біохімічною, тобто за типом безпосередньої біохімічної функції, яку білок виконує в організмі, так і заснованою на головних клітинних процесах, один з кроків яких виконує даний білок. В останньому випадку класифікація включає такі категорії[31]:
У кожному організмі є невелика кількість білків, які виконують дві чи більше операцій. Найчастіше ці операції належать до одного функціонального блоку. Наприклад,лізил-тРНК-синтаза ссавців є інформаційним білком, що приєднуєлізин дотРНК і також регулюєреплікацію ДНК ітранскрипцію кількох генів[32]. Білок CtrA бактеріїCaulobacter crescentus контролює клітинний цикл через регуляцію реплікації і транскрипції[33]. Аналіз геномів показав, що у різних організмів існує велика різниця у кількості білків, що виконують ту чи іншу функцію. Особливо це стосується операційних білків від яких залежить адаптація організму до його екологічної ніші. Цікаво, що у людини та деяких інших організмів частина білків не повністю закодована в успадкованому геномі. Так, велика різноманітність імуноглобулінів досягається за рахунок рекомбінації та мутацій відповідних генів, що тривають протягом усього життя в клітинах імунної системи. Також не треба забувати, що виявлення функцій білків ще не завершене: у будь-якому організмі 20 % чи більше білків виконують функції, про які ще нічого не відомо.
Особливості білків порівняно з іншими біомолекулами
Ферментгексокіназа показаний за допомогою простої кульково-паличкової моделі. У правому верхньому кутку субстрати білка,АТФ іглюкоза.
Білки — головні гравці у процесах в межах клітини. Вони виконують специфічні завдання залежно від інформації, закодованої у відповідних генах[34]. За винятком певних типівРНК більшість біомолекул часто розглядаються як інертні субстрати, на які діють білки. Білки складають половину сухої ваги клітинEscherichia coli (Кишкової палички), тоді як такі молекули як ДНК і РНК — лише 3 % і 20 %, відповідно[35]. Повний набір білків специфічної клітини або типу клітин називаєтьсяпротеомом.
Головна характеристика білків, що дозволяє їм виконувати різноманітний набір функцій — здатність специфічно та щільно зв'язуватися з іншими молекулами. Ділянки білків, що відповідають за таке зв'язування, називаютьсяділянками зв'язування. Вони часто мають вигляд вигину або «кишені» на поверхні молекули. Ця здатність до зв'язування опосередкована третинною структурою білка, яка визначає розташування кишень зв'язування, і хімічними властивостями амінокислот навколишніх бічних ланцюгів. Зв'язування білків може бути надзвичайно щільним та специфічним, наприклад, білок-інгібітор рибонуклеази зв'язується з людськимангіогеніном з менш ніж фемтомолярноюконстантою дисоціації (<10−15 М), але взагалі не зв'язується з його гомологом,онконазою, отриманою з клітин жаб (>1 М). Надзвичайно незначної хімічної зміни, такої як додавання до партнера зв'язування єдиної метильної групи, іноді може бути достатньо для того, щоб майже виключити зв'язування; наприклад,аміноацил-тРНК-синтетаза специфічна до амінокислотиваліну чітко відрізняє його від дуже подібного бічного ланцюгаізолейцину.
Білки можуть зв'язуватися з іншими білками, іншими біомолекулами та невеликими субстратами. Коли білки зв'язуються з іншими копіями тієї ж самої молекули, вони утворюютьолігомери, які у деяких випадках формують волокнину; цей процес часто відбувається в структурних білках, які складаються з кулястих мономерів, що є партнерами у взаємному зв'язуванні. Він дозволяє формувати міцні волокна.Білок-білкова взаємодія також регулює ферментативну діяльність, управляючи протіканнямклітинного циклу, і надає клітині змогу утворювати великібілкові комплекси, які здійснюють багато складних реакцій, важливих для виконання основних біологічних функцій. Крім того, партнери зв'язування часто здатні індукувати конформаційні зміни в білках, що дозволяє утворення надзвичайно складнихсигнальних мереж.
Найкраще відома роль білків в організмі —каталіз різних хімічних реакцій.Ферменти — тип білків, що характеризується специфічними каталітичними властивостями, тобто кожний фермент каталізує одну або декілька реакцій. Ферменти каталізують реакції розщеплювання (катаболізм) і синтезу (анаболізм) складних молекул, зокрема, синтез та деградацію ДНК, РНК, білків, ліпідів та цукрів. Крім того, вони каталізують синтез та деградацію малих молекул, хімічні модифікації та ряд інших реакцій, необхідних для життєдіяльності. Відомо близько 4 тис. реакцій, що каталізуються ферментами, багато з них протікають поза межами клітин[36], наприклад ферментпепсин розщеплює білки в процесі травлення. Прискорення реакції в результаті ферментативного каталізу часто величезне: наприклад, реакція, що каталізується ферментом оротат-карбоксилазою протікає в 1017 разів швидше[37], ніж без каталізатора (без ферменту реакція відбувалася б раз у 78 мільйонів років, а за участю ферменту відбувається раз у 18 мілісекунд). Молекули, які змінюються в результаті реакції при посередництві ферментів, називаютьсясубстратами.
Хоча ферменти зазвичай складаються з сотень амінокислот, тільки невелика частина з них взаємодіє з субстратом, і ще менша кількість — в середньому 3-4 амінокислоти в одній молекулі білка, часто розташовані далеко одна від іншої в первинній амінокислотній послідовності, — безпосередньо беруть участь в каталізі[38]. Частина ферменту, яка з'єднується із субстратом і містить каталітичні амінокислоти, називаєтьсяактивним центром ферменту.
Структурні білки часто грають рольарматури, що надає форму та жорсткість клітинам та тканинам. Зазвичай ці білки здатні формувати довгі філаменти або зв'язувати філаменти, сформовані іншими білками — частина структурних білків є фібрилярними, інші формують філаменти за допомогою полімеризації глобул білка за певних умов[39]. Структурну роль всередині клітини грають компонентицитоскелету: наприклад глобулярніактин ітубулін в еукаріотів та їхні бактеріальні гомологиFtsZ таMreB. Ці білки дуже динамічні, тобто можуть полімеризуватися при потребі. Вони відіграють роль не тільки у забезпеченні структури, але й улокомоції клітин таклітинному поділі. Інші компоненти цитоскелету —проміжні філаменти еукаріотів та бактеріальнийкресцентин — фібрилярні й мають перш за все структурну функцію. Важлива також структурна роль компонентівміжклітинної матриці. Деякі з них збираються в значних кількостях і відіграють роль у забезпеченні структури окремих органів, наприклад, міжклітиннийкератин важливий для підтримки структуриволосся,нігтів іпір'я птахів.Колаген,ламінін іеластин важливі для підтримкиепітелію стінок порожнин організму —легенів,шлунка тощо. Крім того, колаген і еластин — основні компонентисполучної тканини (наприклад,хряща). Структурні білки також складаютьклітинну стінку багатьохархей і відіграють роль в утриманні разом полісахаридних компонентів клітинних стінокрослин та бактерій.
Багато білків, що входять до складукрові, беруть участь в захисній відповіді організму як на пошкодження, так і на атакупатогенів. Прикладами першої групи білків служатьфібриногени ітромбіни[40], що беруть участь взгортанні крові, аантитіла (імуноглобуліни), нейтралізують бактерії,віруси або чужорідні білки. Антитіла, що входять до складуімунної системи та відповідають занабутий імунітет, приєднуються до чужорідних для даного організму речовин,антигенів, і таким чином нейтралізують їх, направляючи до місць знищення. Антитіла можутьсекретуватися в міжклітинний простір або закріплюватися в мембранах спеціалізованихВ-лімфоцитів, які називаютьсяплазмоцитами[41].
Принципово іншим класом захисних білків (зазвичай пептидів) єтоксини, що використовуються багатьма організмами для знищенняхижаків іпаразитів, тоді як власні клітини захищені від токсинів фізичним бар'єром, містятьантидот (протиотруту), що локально нейтралізує токсин, або нечутливі до нього через іншу будову, ніж клітини жертви токсинів.
Захист кліток від токсинів, шкідливих хімічних речовин з навколишнього середовища й продуктів власного метаболізму, а також багатьох фармацевтичних препаратів може здійснюватися мембранними білками-насосами. Різноманітність, специфічність і принцип дії таких білків, що відкачують шкідливі речовини із кліток, сильно варіює від організму до організму.
Широко розповсюдженим способом захисту бактерій відбактеріофагів єсистема рестрикції-модифікації. Один білок цієї системиметилює певні сайти знову синтезованої геномної ДНК бактерій. Інший білок —рестриктаза розщеплює незахищену ДНК бактеріофагів. Існує багато інших способів і відповідних їм білків для захисту бактерій від фагів і еукаріотичних клітин від ДНК- та РНК-вірусів і бактерій. У цілому, за чотири мільярди років еволюційної боротьби між організмами була створена велика різноманітність білків для атаки й захисту клітин, більшість з яких ще не вивчена.
Багато білків беруть участь в процесахпередачі сигналів на міжклітинному та внутрішньоклітинному рівнях. Деякі білки,гормони,нейротрансмітери,фактори росту іцитокіни пептидної природи, — позаклітинні сигнальні молекули, що передають сигнал від клітини, де вони були синтезовані, до інших клітин, як поряд із клітиною (нейротрансмітери, фактори росту), так і у віддалених тканинах (гормони). До прикладів таких білків належить гормонінсулін, який регулює концентраціюглюкози вкрові тафактор некрозу пухлин, що передає сигнали про запалення між клітинами організму[42].
Інші молекули, залучені до сигнальної системи, —рецептори, що можуть бути якмембранними, так і цитоплазматичними або периплазматичними білками. Одна частина молекули рецептора сприймає сигнал, який з допомогоюконформаційних змін передається на іншу частину молекули, що активує передачу сигналу на інші клітинні компоненти. У мембранних рецепторів частина молекули, що зв'язується з сигнальною молекулою, знаходиться на поверхні клітини, а домен, що передає сигнал, усередині[43]. Часто рецептори є водночас і мембранними каналами, відповідь яких на зовнішній сигнал полягає в зміні концентрації певного іона в клітині.
Багато внутрішньоклітинних сигнальних білків організовані в сигнальні каскади, ланки яких модифікують наступний білок за допомогою ковалентних модифікацій (наприклад,фосфорилювання за допомогоюбілкових кіназ) або зв'язування. Ці каскади передають сигнал про зміну умов навколишнього середовища або внутрішньоклітинні процеси на регуляторні білки, які зі свого боку регулюють клітинну відповідь.
На внутрішньоклітинному рівніекспресія генів регулюється приєднанням білків —факторів транскрипції, залежно від напрямку регулювання,активаторів аборепресорів, до регуляторних послідовностей генів. На рівні трансляції зчитування багатьох мРНК також регулюється приєднанням білкових факторів[44], адеградація РНК і білків проводиться спеціалізованими білковими комплексами[45].
Розчинні білки, що беруть участь в транспорті малих молекул, зв'язують відповідний субстрат в одній частині клітини або організму, наприклад в місцях високої концентрації або при присутності додаткових регуляторних факторів, і легко вивільняють його в місцях низької концентрації субстрату або там, де відсутні згадані регуляторні молекули. Прикладом таких транспортних білків можна назватигемоглобін, який переноситькисень з легень до решти тканин івуглекислий газ від тканин до легень, а такожгомологічні йому білки, знайдені у представників інших доменів живих організмів[46].
Схематичне зображення іонних каналів в мембрані клітини
Деякімембранні білки беруть участь в транспорті малих молекул через біологічні мембрани, змінюючи їхнюпроникність для цих молекул.Ліпідний компонент мембрани водонепроникний (гідрофобний), що запобігаєдифузії полярних або заряджених (іони) молекул. Ці мембранні білки містять внутрішні канали, які дозволяють таким молекулам переміщатися всередину або назовні, та мають можливість відкривати або закривати їх за певними умовами. Багатоіонних каналів спеціалізується на транспорті тільки одного іона, таккалієві інатрієві канали розрізняють ці схожі йони і пропускають тільки один з них[47].
Багато інших мембранних білків переносять макромолекули до окремих відділів клітини. Наприклад, присортуванні білків певні сигнали новосинтезованих білків розпізнаються мембранними транспортерами, що селективно пропускають їх через мембрани. Особливим прикладом систем переносу макромолекул через мембрани є механізмядерного транспорту еукаріотів, центральною частиною якого є великий білковийкомплекс ядерної пори, який пропускає невеликі незаряджені молекули (до 30 кДа), тоді як більші за розміром білки вимагають допоміжних білків (каріоферинів). Наприклад,експортини допомагають транспорту великих молекул, таких як зрілімРНК, зв'язуючись з ними в ядрі, проходять у зв'язаному стані через ядерні пори, й звільнюють їх у цитоплазмі. Інші білки,імпортини, беруть участь у зворотному процесі, допомагаючи транспорту таких білків якфактори транскрипції та компоненти рибосом до ядра клітини.
Ще однією життєво важливою білковою транспортною системою єелектронтранспортний ланцюг, необхідний у процесахфотосинтезу таклітинного дихання. В результаті роботи цієї системи, електрони переносяться через мембрану проти електричного поля за рахунок енергії світла абокатаболічної енергії, що отримується вциклі Кребса та при окисленні білків і ліпідів. Енергія, збережена у формі різниціелектрохімічних потенціалів, використовується іншим білковим комплексом,АТФ-синтазою, для перетворення цієї енергії наАТФ, форму, зручну для використання іншими білками клітини.
Функцієюмолекулярних моторів є здійснення механічної роботи в межах клітини за рахунок хімічної або електричної енергії. Такмоторні білки, підгрупа молекулярних моторів, переміщують клітинні «вантажі» уздовж філаментів. Моторні білкидинеїни ікінезини транспортують молекули та органели вподовжмікротрубочок з використаннямгідролізуАТФ як джерела енергії. Динеїни переносять вантаж із цитоплазми у напрямку доцентросоми, кінезини в протилежному напрямку[48][49]. Ця активність важлива як для розділенняхромосом в анафазімітозу приклітинному поділі[50], так і для доставлення важливих молекул до місць їхнього використання, часто дуже віддалених, як це відбувається приаксоплазматичному транспорті[51]. Інші моторні білки важливі для життєвих процесів біосинтезу білків, зокрема розплітанніДНК (топоізомерази) та русі білкових комплексів уздовж ДНК (полімерази) та РНК (рибосоми).
Моторні білки часто відповідають і за макроскопічний рух організму. Наприклад, синхронізований рух багатьох молекул білкаміозина уздовжмікрофіламентів у складісаркомер приводить до скороченням'язів[52]. Для руху окремих клітин використовуються інші молекулярні мотори, наприклад, моториджгутиків,ворсинок та інших відповідних органел клітини, проте багато механізмів локомоції клітин залишаються невідомими.
Крім пересування об'єктів, молекулярні мотори беруть участь у низці інших важливих для клітини процесів. Наприклад,вірусний пакувальний мотор доставляє синтезований вірусний геном (РНК або ДНК) до вірусногокапсиду[53], а електромотор F0 — субодиницяАТФ-синтази — переробляє енергію, отриману за рахунок різниціелектрохімічних потенціалів на мембранахмітохондрій (в еукаріотів) або цитоплазматичній мембрані (у прокаріотів), на механічний рух, що використовується іншою субодиницею комплексу (F1) для синтезуАТФ — головного «палива» клітини.
У деяких системах класифікації виділяється окрема група білків, що виконують переважно резервну і харчову функцію. Проте майже усі білки використовуються в організмі як джерело амінокислот. Твердження, що резервна є головною функцією якогось білка, може виявитися необґрунтованим просто через недолік знань. Наприклад, вивченняовальбуміна (основного компонентаяєчного білка) показало, що він не тільки служить джерелом сировини, але також бере участь в транспорті іонів металів і може відігравати захисну роль, викликаючиалергію у тварин, у тому числі в людини.
Харчові білкимолока —казеїни відрізняються від більшості інших (нормальних) білків тим, що вони не утворюють твердої просторової структури й радше нагадують денатуровані білки. В кишечнику казеїни розрізаються протеазою і коагулюють на стінках. Вивільнення пептидів і амінокислот з коагульованого білка відбувається повільно, підживлюючи організм у період між годівлями. Крім харчової в казеїнів молока були виявлені й інші важливі функції. Короткі пептиди, що виходять із казеїнів під дією кишкових протеаз можуть модулювати сорбцію амінокислот стінками кишечнику, тиск і згортуваність крові, імунну реакцію, а також мати сильніопіоїдні властивості. Таким чином білкова дієта служить не тільки джерелом амінокислот, а має набагато глибший вплив на організм.
Короткі білки можуть бути синтезовані хімічним шляхом за допомогою методів, які використовуютьорганічний синтез, — наприклад,хімічне лігування[54]. Більшість методів хімічного синтезу проходять в напрямі від С-кінця до N-кінця, на відміну від біосинтезу. Таким чином можна отримати короткий імуногенний пептид (епітоп), необхідний для отримання антитіл шляхом ін'єкції в тварини, або отриманнягібридо́м; хімічний синтез також використовується для отримання інгібіторів деяких ферментів[55].
Хімічний синтез дозволяє вводити до складу білків штучні амінокислоти, тобто такі, що не зустрічаються у звичайних білках, — наприклад, приєднуватифлюоресцентні мітки до бічних амінокислотних ланцюжків. Проте сучасні (2008 рік) хімічні методи синтезу неефективні при довжині білків, що перевищує 300 амінокислот; крім того, штучні білки можуть мати неправильну третинну структуру, а в амінокислот штучних білків відсутні посттрансляційні модифікації.
Для здійснення аналізу білківin vitro їх потрібно очистити від інших клітинних компонентів. Цей процес зазвичай починається злізису клітини, при якомуклітинна мембрана руйнується і вміст клітини вивільняється у розчин, який називається незрілим лізатом абоклітинним екстрактом. Результуюча суміш може бути частково очищена за допомогоюультрацентрифугування, яке фракціонує різні клітинні компоненти у фракції, що містять розчинні білки, мембранні ліпіди й білки, клітинніорганели й нуклеїнові кислоти. За допомогою методівпреципітації абовисолювання можна сконцентрувати білки з цього екстракту. На наступному кроці для ізоляції білка або білків використовуються різні типихроматографії, що базуються на таких характеристиках білків, як молекулярна вага, питомий заряд (наприклад,високоефективна рідинна хроматографія) абоспорідненість до зв'язування (адсорбційна хроматографія). Рівень очищення може контролюватися, використовуючи різні типигелевого електрофорезу, якщо відомі молекулярна маса білка та йогоізоелектрична точка,спектроскопічні методи, якщо білок має помітні спектроскопічні особливості, абовипробування ферментативної активності, якщо білок має ферментативну активність. Додатково, білки можуть бути ізольовані на основі їхнього електричного заряду за допомогоюізоелектричного фокусування[56].
Для природних білків зазвичай необхідна серія з кількох кроків очищення, щоб отримати білок, достатньо чистий для застосування лабораторних методів. Для спрощення цього процесу використовуєтьсягенна інженерія, за допомогою якої можна додати білкам хімічні особливості, що роблять білки легшими для очищення без зміни їхньої структури та активності. Наприклад, до білків додають специфічні послідовності амінокислот, часто серії залишківгістидину («His-мітка»). Як наслідок, коли екстракт проходить через колонкунікелевої хроматографії, залишки гістидину зв'язуються із колонкою, тоді як непомічені білки проходять її без перешкод.
Для вивчення біохімічної активності ферментів використовуються численні біохімічні методи, що мають загальну назву випробувань ферментативної активності (англ.enzyme assays). Ці методи в більшості випадків проводятьсяin vitro і ставлять ціллю вимірювання зміни кількості переробленого субстрату білка або кількості створених продуктів реакції. Безперервні методи зазвичай залучають використання оптичних методів, таких як змінаоптичної щільності розчину або йогофлюоресценції, якщо відомі оптичні властивості субстратів або продуктів реакції, або вимірювання виділеного тепла при реакції. Якщо ці властивості важкі для вимірювання, часто застосовуютьсяхроматографічні аборадіографічні методи. Хроматографічні методи (наприклад,гелевий електрофорез,високоефективна рідинна хроматографія) використовуються для розділення продуктів реакції, після чого вони можуть бути візуалізовані за допомогою інших методів. Радіографічні методи залучають використання радіоактивних маркерів (зазвичай одного з атомів в субстраті, заміненого на йогорадіоактивнийізотоп), що легко візуалізуватифотографічними методами, чутливими дорадіонуклідів.
Перевагою методівin vitro зазвичай є можливість виділити один або кілька компонентів, що досліджуються, та вивчати їхню активність, спрощуючи систему за рахунок усунення інших компонентів, зазвичай присутніх у клітині, що можуть впливати на протікання реакції.
За допомогою одного з методівгенної інженерії —направленого мутаганезу (site directed mutagenesis) — дослідники можуть змінити амінокислотну послідовність білка таким чином, що його структура, клітинна локалізація і сприйнятливість до регулювання змінюються. Таким чином можна досліджувати ефект таких змін на функціонування всієї клітини, визначаючи природну роль білка та партнерів, з якими він взаємодіє.
Поширеним застосуванням методу є повне усуненнягену (gene knock-out), що кодує даний білок, і досліджування ефекту відсутності активності цього гену на клітину. Часто, коли білок, що відповідає за певну функцію, невідомий, проводиться так званийгенетичний скринінг, коли за допомогоютранспозонів, що вставляються до геному у випадкових місцях, можна отриматимутантів із відповіднимфенотипом, а потім знайти положення транспозону, яке викликало мутацію. Встановлені таким чином білки часто називаються за назвою мутантного фенотипу, що спостерігається.
Методом генної інженерії вдалося отримати пра-білки, що, як вважають дослідники, існували в часидокембрію[57][58].
Дослідження білківin vivo часто вимагає визначення локалізації цих білків у межах клітини. Хоча білки синтезуються в цитоплазмі або на мембранахендоплазматичного ретикулума (в еукаріотів), після цього багато білків направляються до специфічних органел або клітинних структур, де вони виконують свою функцію, що не завжди можливо передбачити за допомогою аналізу структури білка. Таким чином, корисним методом дослідження ролі білків є аналіз локалізації цих білків у клітині. Для здійснення такого аналізу в живих клітинах використовуютьсяхимерні білки, до яких додається«репортер», наприкладзелений флюоресцентний білок (англ.green fluorescent protein, GFP). Локалізація такого химерного білка може бути точно визначена за допомогою флюоресцентної мікроскопії, як показано на зображенні.
Інший метод дослідження локалізації білків —імунофарбування — залучає використання флюоресцентно міченихантитіл проти досліджуваного білка, що зв'язуються з ним у вбитих тазафіксованих клітинах.
Частобарвники зв'язують з білками за допомогою біохімічних методів таким чином, що вони мітять специфічні білки в точно визначених місцях, та полегшують детекцію таких білків. За допомогою методуфлюоресцентного резонансного переносу енергії (FRET) енергія збудження переноситься з одного барвника (або флюоресцентного білка) на інший, коли вони знаходяться в безпосередній близькості один від одного[59]. Таким чином можна визначати партнерів ізбілок-білкової взаємодії або досліджувати оптичними методами, в якій конформації перебуває білок у цей час. За допомогою методувідновлення флюоресценції після фотознебарвлення (FRAP) барвникзнебарвлюється в певній частині клітини, після чого флюоресценція може поступово відновлюватися, якщо до цього місця потрапляють нові флюоресцентні білки. Залежно від швидкості цього процесу можна визначити швидкість транспорту білка в клітині або визначити частини клітини, фізично відокремлені від інших.
Багато досліджень проводяться на рівні окремих білків. Так, методфлюоресцентної кореляційної спектроскопії (FCS), що вимірює кореляцію флюоресценції в часі від невеличкої (близько 0,2 мікрона) ділянки, дозволяє детекцію окремих молекул усередині клітини та визначення їхньої мобільності, яка залежить від розміру білка та його зв'язування з іншими білками та частинами клітини[60]. На рівні окремих білків (зазвичайin vitro) може використовуватися і методFRET, що дозволяє досліджувати рух частин білка при виконанні ним своєї функції.
Використовуються і кілька механічних методів впливу на білки. Так за допомогоюлазерних[61] тамагнітних щипців[62] іатомного силового мікроскопа[63][64] можна прикладатисили до окремих частин окремих білків, та досліджувати їхній вплив на активність білка, в іншому режимі можна спостерігати механічний рух частин білка одна відносно одної. Це важливо для дослідження руху молекулярних моторів і руху частин ферменту при виконанні їм каталітичної реакції[65].
Дослідження окремих білків має значну перевагу в порівнянні з об'ємними методами тому, що стан кожного білка може бути різним, а середні значення, виміряні в об'ємі, часто не дають інформації про розподіл значень властивостей між окремими білками.
Для дослідження функції білків широко застосовуються і методимоделювання абоматематичної біології. Через складність біохімічних шляхів клітини часто важко визначити вплив складної багатобілкової системи на функціонування клітини. Наприклад, методи математичного моделювання були ефективними для визначення механізму роботиАТФ-синтази[66][67] або для з'ясування механізму роботиMin-системи, що відповідає за розміри дочірніх клітин при поділі бактеріїEscherichia coli[68].
Часто методи математичного моделювання важливі і для встановлення ефекту невеликого числа білків у клітині (багато білків працюють в кожній клітині лише в кількох примірниках) та флуктуації кількості цих білків.
Переважна більшість відомих структур білків (близько 90 % вБанку даних білків) були визначені за допомогоюрентгенівської кристалографії. Цей метод дозволяє визначення тривимірної структури електронної густини білка в кристалізованому стані, й таким чином вивести координати атомів у 3-х вимірах із певним рівнем роздільної здатності, до приблизно 0,5Å в найкращому випадку. Близько 9 % відомих структур визначені за допомогоюЯМР-спектроскопії, що також дозволяє отримання структур високої роздільної здатності. Останнім часом також набирає популярностікріоелектронна мікроскопія, як дуже швидкий, хоча і низькоточний, метод визначення структур білків. Її роздільна здатність вже знизилася до менш ніж 5 Å, й обіцяє ще покращитися найближчим часом. Хоча цей метод і не здатний визначити розташування окремих амінокислот або деталі вторинної структури, він широко застосовується для дослідження великих білкових комплексів.
Порівняння амінокислотних послідовностей білків, в цьому разігемоглобінів, різних організмів дозволяє визначати ділянки, важливі для функціонування білків, а також еволюційну історію порівнюваних видів.
Повний набір білків, які в конкретний момент присутні в клітині, певному типі клітин або в організмі, називаєтьсяпротеомом, а дослідження великих наборів даних про ці білки та зв'язки між ними називаєтьсяпротеомікою, що була названа за аналогією згеномікою. Головні експериментальні методи протеоміки включають:мас-спектроскопію, що дозволяє швидке ототожнення високих кількостей білків і встановлення пептидної послідовності,білкові мікрочипи, що дозволяють одночасне визначення відносних кількостей великого числа білків в клітині,двогібридний скринінг, що дозволяє систематичне дослідженнябілок-білкової взаємодії (встановлюючи їхню повну систему —інтерактом), та інші. Систематичні спроби визначення структури білків та всіх можливих станів кожного білка називаютьсяструктурною геномікою.
Окрім структурної геноміки, існує область досліджень, яка займаєтьсяпередбаченням структури білків і прагне розвинути ефективні методи створення правдоподібних моделей білків, структури яких не були визначені експериментально. Найуспішніший вид передбачення структури, відомий якмоделювання гомології, використовує відому структуру «матриці» зі схожою послідовністю до модельованого білка; завданням є лише знайти відмінності та передбачити, яким чином вони впливатимуть на структуру. Хоча створення точних моделей залишається дуже складним, якщо доступні тільки приблизно подібні «матриці», вважається, що вузьким місцем методу є вирівнювання послідовностей. Це підтверджується тим, що у випадку «досконалого» вирівнювання можуть бути отримані дуже точні моделі[69]. Багато методів передбачення структури призначені для використання в новій галузі проєктування білків, що вже дозволила спроєктувати кілька нових типів білкових структур[70]. Складніша обчислювальна проблема — передбачення міжмолекулярних взаємодій, таких якмолекулярний докінг іпередбачення білок-білкової взаємодії.
Основним методом передбачення структури білків та білок-білкової взаємодії є симуляція процесів згортання та зв'язування білків із використанням методівмолекулярної динаміки. Загалом ці методи вимагають величезних обчислювальних ресурсів. Для задоволення цієї потреби створюються сімейства найшвидших сучасних суперкомп'ютерівBlue Gene. Як альтернативу дослідники дедалі більше використовуютьрозподілені обчислення, такі як проєктFolding@Home («згортання вдома»). Згортання маленьких спіральних областей білків, наприклад «головки»віліну[71] і допоміжного білкаВІЛ[72] вже вдалося успішно просимулювати з атомною точністюin silico, а гібридні методи, що комбінують методи молекулярної динаміки із методамиквантової хімії, дозволили просимулювати електронні станиродопсину[73].
Важливою областю досліджень сучаснихмолекулярної біології тагенної інженерії стало не тільки вивчення білків, створених природою, або комбінування їх у штучних білках, але й проєктування принципово нових білків із потрібними властивостями. Методи проєктування білків можна розбити на дві головні групи:раціональне проєктування танаправлену еволюцію.
В методі проєктування білків робота найчастіше починається із знаходження природного білка із відомою структурою, найближчого за властивостями до потрібного, після серії таких мутацій можна отримати новий білок[74]. Хоча невеликі зміни активно вносяться у білки починаючи з середини 1980-х років, зараз стало можливим конструювати відносно складні білки, наприклад, рецептори нових сполук[75], та конструювати білкиde novo, без використання природного шаблону[76].
В альтернативному методі направленої еволюції використовується подібний до необхідного природний білок, до якого додаються випадкові мутації, а в результаті сконструйованого випробування відбираються найкращі примірники. Цей процес може бути повторений багаторазово, часто з додаванням рекомбінації частин різних успішних білків (аналоггомологічної рекомбінації). Перевагою методу є непотрібність будь-яких знань про структуру і методи роботи білка, проте його недоліком є неможливість легкого отримання деяких білків у великих кількостях та рекомбінантні маніпуляції з ними[77][78].
Борщ — джерело різноманітних денатурованих рослинних і тваринних білків.
Білки надходять в організм разом зїжею й служать основним джерелом амінокислот. Обов'язкове використання білків у їжі обумовлене потребою внезамінних амінокислотах, які не можуть синтезуватися людиною з інших речовин.Травлення починається з кислотної денатурації білків ушлунку — необхідної стадії для кулінарно неопрацьованої їжі. Денатуровані білки стають субстратом дляпротеаз, спочатку в шлунку, а потім у слаболужному середовищітонкого кишечника. Продукти протеазного розщеплення — короткі пептиди й амінокислоти усмоктуютьсяентероцитами, розташованими вепітелії тонкого кишечника. Основним транспортером ди- і трипептидів служить мембранний білок Pept1, через який проходить 65—80 % усіх усмоктуваних людиною амінокислот. Активне перенесення пептидів білком Pept1 здійснюється за рахунок одночасного транспортупротонів. Pept1 перебуває удванадцятипалій іпорожній кишках, і, меншою мірою, уклубовій кишці. Pept1 був виявлений утовстому кишечнику тільки уновонароджених. Інші 20—35 % амінокислот всмоктуються ентероцитами за допомогою набору амінокислотних транспортерів різної специфічності. Увесь процес усмоктування білкових продуктів триває близько чотирьох годин.
В ентероцитах частина пептидів розщеплюється до окремих амінокислот. Потім амінокислоти й пептиди переправляються транспортерами через протилежну мембрану й розносяться по всьому тілу з потокомкрові. Амінокислотне харчування інших кліток організму відбувається за допомогою мембранних транспортерів амінокислот, а також заковтування й протеазного розщеплення зовнішніх білків і пептидів. Для запобігання надлишкових втрат амінокислот з організму внирках відбувається усмоктування пептидів і амінокислот із крові в цілому схоже на усмоктування цих речовин у тонкому кишківнику.
Регуляція транспорту й метаболізму амінокислот — складний, ще не досить вивчений процес. У ньому беруть участь різні системи організму, у тому числінервова система, що відповідає за формування відчуттяголоду йситості вголовному мозку. Інтерес до механізму білкового травлення проявляють не тількифізіологи йдієтологи. У медичній практиці виникають питання, пов'язані з персональною алергією до деяких білків. У складніших випадках розробляються спеціальні білкові дієти. У деяких випадках використовують суміші чистих амінокислот. Пептидні транспортери травної системи й нирок активно вивчаютьсяфармакологами, оскільки ряд ліків всмоктується й утримується в організмі за рахунок Pept білків. Білкові й амінокислотні суміші викликають інтерес у спортсменів з метою нарощування м'язів. Слід зазначити, що засвоювання чистих амінокислот організмом сильно відрізняється від звичайного переварювання різноманітних білків їжі.
Цей розділне міститьпосилань на джерела. Ви можете допомогти поліпшити цей розділ, додавши посилання нанадійні (авторитетні) джерела. Матеріал без джерел може бути піддано сумніву та вилучено.(грудень 2019)
Значна кількість досліджень у медицині направлена на використання білків яктерапевтичних препаратів та засобівдіагностики захворювань. Фармацевтичне застосування білків почалося з природних білків отриманих з різноманітних живих організмів. Нові препарати створюються штучно, рекомбінантними методами або за допомогою проєктування білків. Фармацевтичні препарати, що знаходять широке використання, включають білкикрові (наприклад, для лікуваннягемофілії),тромболітичні ферменти,гормони,цитокіни тафактори росту, білкиімунної системи (інтерферони іантитіла, що використовуються для лікуванняінфекційних захворювань та деяких видівраку) івакцини.
Прагнення до перемоги за будь-яку ціну штовхає деякихспортсменів, культуристів та спецпризначенців до вживання білкових ліків, що сприяють витривалості та росту м'язів. Найпопулярнішими єеритропоетин тагормон росту людини. Вживання цих препаратів заборонено в багатьох змаганнях, але скандали з відомими спортсменами з'являються щороку. Фармацевтичні білки, як і інші ліки, можуть являти загрозу здоров'ю.
Іншим використанням білків є використання фібрилярних білків для виготовлення волокон, що використовуються, зокрема, втекстильній промисловості[79]. Інші застосування включають використання білків у ряді технологічних процесів вхімічній промисловості, створення біосенсорів та інші.
↑Leicester, Henry (1980).Berzelius, Jöns Jacob. Dictionary of Scientific Biography 2. New York: Charles Scribner's Sons. с. 90—97.ISBN0684101149.
↑Белки.Химическая энциклопедия. Москва: Советская энциклопедия. 1988.
↑абBarton N. H., D. E. G. Briggs, J. A. Eisen (2007).Evolution. Cold Spring Harbor Laboratory Press. с. 38.ISBN978-0879696849.
↑Филимонова З. А. Краюшкин А. И. Перепелкин А. И. Сопит Т. П. - ЭСТЕТИКА МАТЕМАТИКИ В АНАТОМИИ ЧЕЛОВЕКА (ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ, ЛОГАРИФМИЧЕСКАЯ СПИРАЛЬ, БИОСИММЕТРИЯ).
↑Ленинджер А. (1985).Основы біохімії, в 3 томах. Москва: Мир.
↑Branden C, Tooze J (1999).Introduction to Protein Structure (вид. 2nd). New York: Garland Publishing.
↑Theoretical and Computational Biophysics group, Univ. of Illinois an Urbana-Champain.The Nuclear Pore Complex.Архів оригіналу за 20 червня 2013. Процитовано 15 січня 2008.
↑Mohammad Movassaghi and Eric N. Jacobsen (2002).The Simplest Enzyme.Science.298 (5600): 1904—1905. Архіворигіналу за 17 жовтня 2007. Процитовано 15 січня 2008.
↑Биологический энциклопедический словарь. Гл. ред. М. С. Гиляров. — Москва: Сов. Энциклопедия, 1986.(рос.)
↑Страєр Л. (1984).Біохімія в 3 томах. Москва: Мир.
↑Dobson CM. (2000).The nature and significance of protein folding. New York: Oxford University Press.{{cite book}}:Проігноровано|work= (довідка)
↑Stack D, Neville C, Doyle S (2007). Nonribosomal peptide synthesis in Aspergillus fumigatus and other fungi.Microbiology.153 (5): 1297—306.PMID17464044.
↑Welker M, von Döhren H (2006). Cyanobacterial peptides — nature's own combinatorial biosynthesis.FEMS Microbiol Rev.30 (4): 530—563.PMID16774586.
↑Demartino GN, Gillette TG (2007). Proteasomes: machines for all reasons.Cell.129 (4): 759—762.PMID17512408.
↑Bronner C, Chataigneau T, Schini-Kerth VB, Landry Y.The (2007). Epigenetic Code Replication Machinery ECREM: а promising drugable target of the epigenetic cell memory.Curr Med Chem.14 (25): 2629—2641.PMID17979715.
↑Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipurksy SL, Darnell J (2004).Molecular Cell Biology (вид. 5th). New York: WH Freeman and Company.
↑Erickson HP (2007). Evolution of the cytoskeleton.Bioessays.29 (7): 668—677.PMID17563102.
↑Wolberg AS (2007). Thrombin generation and fibrin clot structure.Blood Rev.21 (3): 131—142.PMID17208341.
↑J. Li, D.R. Barreda, Y.-A. Zhang, H. Boshra, A.E. Gelman, S. LaPatra, L. Tort & J.O. Sunyer (2006). B lymphocytes from early vertebrates have potent phagocytic and microbicidal abilities.Nature Immunology.7: 1116—1124.PMID16980980.
↑Piston DW, Kremers GJ. (2007). Fluorescent protein FRET: the good, the bad and the ugly.Trends Biochem Sci.32 (9): 407—414.PMID17764955.
↑Haustein E, Schwille P. (2007). Fluorescence correlation spectroscopy: novel variations of an established technique.Annu Rev Biophys Biomol Struct.36: 151—169.PMID17477838.
↑Hormeño S, Arias-Gonzalez JR. (2006). Exploring mechanochemical processes in the cell with optical tweezers.Biol Cell.98 (12): 679—695.PMID17105446.
↑Müller DJ, Sapra KT, Scheuring S, Kedrov A, Frederix PL, Fotiadis D, Engel A. (2006). Single-molecule studies of membrane proteins.Curr Opin Struct Biol.16 (4): 489—495.PMID16797964.
↑Hinterdorfer P, Dufrêne YF. (2006). Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy.Nat Methods.3 (5): 347—355.PMID16628204.
↑Greenleaf WJ, Woodside MT, Block SM. (2007). High-resolution, single-molecule measurements of biomolecular motion.Annu Rev Biophys Biomol Struct.36: 171—190.PMID17328679.
↑G. Oster and H. Wang (2000). Reverse engineering a protein: The mechanochemistry of ATP synthase.Biochemica et Biophysica Acta (Bioenergetics).1458: 482—510.PMID10838060.
↑Xing, J., J-C. Liao, G. Oster (2005). Making ATP.PNAS.102 (46): 16539—16546.PMID16217018.
↑Kruse K, Howard M, Margolin W. (2007). An experimentalist's guide to computational modelling of the Min system.Mol Microbiol.63 (5): 1279—1284.PMID17302810.
↑Zhang Y, Skolnick J (2005). The protein structure prediction problem could be solved using the current PDB library.Proc Natl Acad Sci USA.102 (4): 1029—1034.PMID15653774.
↑Zagrovic B, Snow CD, Shirts MR, Pande VS. (2002). Simulation of folding of a small alpha-helical protein in atomistic detail using worldwide-distributed computing.J Mol Biol 323(5):927-37.
↑Herges T, Wenzel W (2005). In silico folding of a three helix protein and characterization of its free-energy landscape in an all-atom force field.Phys Rev Let.94 (1): 018101.PMID15698135.
↑Hoffmann M, Wanko M, Strodel P, Konig PH, Frauenheim T, Schulten K, Thiel W, Tajkhorshid E, Elstner M (2006). Color tuning in rhodopsins: the mechanism for the spectral shift between bacteriorhodopsin and sensory rhodopsin II.J Am Chem Soc.128 (33): 10808—10818.PMID16910676.
↑Shaun M Lippow, and Bruce Tidor (2007). Progress in computational protein design.Curr Opin Biotechnol.18 (4): 305—11.PMID17644370.
↑Bassil I. Dahiyat and Stephen L. Mayo.De Novo Protein Design: Fully Automated Sequence Selection.Science.PMID9367772.
↑Eijsink VG, Gåseidnes S, Borchert TV, van den Burg B. (2005). Directed evolution of enzyme stability.Biomol Eng.22 (1-3): 21—30.PMID15857780.
↑Tamerler C, Sarikaya M. (2007). Molecular biomimetics: utilizing nature's molecular ways in practical engineering.Acta Biomater.3 (3:pages = 289—299).PMID17257913.
↑Thomas Scheibel (2005). Protein fibers as performance proteins: new technologies and applications.Curr Opin Biotechnol.16 (4): 427—433.doi:10.1016/j.copbio.2005.05.005.PMID15950453.
David L. Nelson and Michael M. Cox (2004).Lehninger Principles of Biochemistry (вид. 4th). W.H.Freeman & Co.ISBN0716743396. Процитовано 3 лютого 2008.{{cite book}}: Обслуговування CS1: Сторінки з параметром url-status, але без параметра archive-url (посилання)(англ.) (див. також російський переклад першого виданняЛенинджер А. (1985).Основы биохимии. В 3 томах. Москва: Мир.)
Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert. (2002).Biochemistry. New York: W. H. Freeman and Co. Архіворигіналу за 29 жовтня 2007. Процитовано 3 лютого 2008.(англ.)
Степанов В.М. (2005).Молекулярная биология. Структура и функция белков. Москва: Наука.ISBN5-211-04971-3.(рос.)
Рубин А.Б. (1999).Биофизика (вид. 2). Москва. Университет. Архіворигіналу за 10 лютого 2008. Процитовано 3 лютого 2008.(рос.)
Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. (2005).Физика белка: Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами с решениями (вид. 2-е). Москва: Книжный дом «Университет».ISBN5-98227-065-2.(рос.)
А. В. Сиволоб (2008).Молекулярна біологія(PDF). К: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет». с. 33-64. Архіворигіналу(PDF) за 4 березня 2016. Процитовано 27 березня 2016.
Людина. / Навч. посібник з анатомії та фізіології. — Львів. 2002. — 240 с.
