Бялкі

Бялкі (пратэіны, поліпептыды) — высокамалекулярныя арганічныя рэчывы, якія складаюцца са звязаных паміж сабой у ланцуг пептыднай сувяззю амінакіслотаў. Адзін з асноўных хімічных кампанентаў абмену рэчываў і энергіі жывых арганізмаў. Абумоўліваюць іх будову, галоўныя адзнакі, функцыі, разнастайнасць і адаптацыйныя магчымасці, удзельнічаюць ва ўтварэнні клетак, тканак і органаў (структурныя бялкі), у рэгуляцыі абмену рэчываў (гармоны), з'яўляюцца запасным пажыўным рэчывам (запасныя бялкі).

З двух дзясяткаў амінакіслот пабудаваны малекулы многіх тысяч розных бялкоў. Гэта робіцца магчымым дзякуючы рознай паслядоўнасці злучэння амінакіслотных астаткаў у макрамалекуле бялку. Кожны бялок мае строга пэўную паслядоўнасць і лік амінакіслотнах астаткаў.

Бялкі складаюць матэрыяльную аснову амаль усіх жыццёвых працэсаў: росту, стрававання, размнажэння, ахоўных функцый арганізма, утварэння генетычнага апарату і перадачы спадчынных прыкмет (нуклеапратэіды), пераносу ў арганізме рэчываў (транспартныя бялкі), скарачэння мышцаў, перадачы нервовых імпульсаў і інш. Ферменты бялковай прыроды выконваюць у арганізме спецыфічныя каталітычныя функцыі, выключна важнае значэнне ў рэгуляцыі фізіялагічных працэсаў маюць бялкі-гармоны.

Сінтэзуюцца бялкі з неарганічных рэчываў раслінамі і некаторымі бактэрыямі. Жывёлы і чалавек атрымліваюць гатовыя бялкі з ежы. З прадуктаў іх расшчаплення (пептыдаў і амінакіслот) у арганізме сінтэзуюцца спецыфічныя ўласныя бялкі, дзе яны няспынна разбураюцца і замяняюцца зноў сінтэзаванымі. Біясінтэз бялкоў ажыццяўляецца па матрычным прынцыпе з удзелам ДНК, РНК, пераважна ў рыбасомах клетак і інш. Паслядоўнасць амінакіслот у бялках адлюстроўвае паслядоўнасць нуклеатыдаў у нуклеінавых кіслотах.

Бялкі былі выдзелены ў асобны клас біялагічных малекул у 18 стагоддзі ў выніку работ французскага хіміка Антуана дэ Фуркруа і іншых вучоных, у якіх была адзначана ўласцівасць бялкоў каагуляваць (дэнатураваць) пад уздзеяннем награвання або кіслот. У той час былі даследаваны такія бялкі, як альбумін («яечны бялок»), фібрын (бялок з крыві) і глютэн са збожжа пшаніцы.

У пачатку 19 стагоддзя ўжо былі атрыманы некаторыя звесткі аб элементарным складзе бялкоў, было вядома, што пры гідролізе бялкоў ўтвараюцца амінакіслоты. Некаторыя з гэтых амінакіслот (напрыклад, гліцын і лейцын) ужо былі ахарактарызаваны. Галандскі хімік Герыт Мульдэр на аснове аналізу хімічнага складу бялкоў прапанаваў гіпотэзу, што амаль усе бялкі маюць падобную эмпірычную формулу. У 1836 годзе Мульдэр прапанаваў першую мадэль хімічнай будовы бялкоў. Грунтуючыся на тэорыі радыкалаў, ён пасля некалькіх удакладненняў прыйшоў да высновы, што мінімальная структурная адзінка бялку валодае наступным складам: C₄₀H₆₂N₁₀O₁₂. Гэтую адзінку ён назваў «пратэінам» (Pr) (ад грэч. протас — першы, першасны), а тэорыю — «тэорыяй пратэіна»^[1].

Сам тэрмін «пратэін» быў прапанаваны яшчэ шведскім хімікам Якабам Берцэліусам^[2]. Згодна з уяўленнямі Мульдэра, кожны бялок складаецца з некалькіх пратэінавых адзінак, серы і фосфару. Напрыклад, ён прапанаваў запісваць формулу фібрына як 10PrSP. Мульдэр таксама даследаваў прадукты разбурэння бялкоў — амінакіслоты і для адной з іх (лейцын) з малой доляй памылкі вызначыў малекулярную масу — 131 дальтон. Па меры назапашвання новых дадзеных пра бялкі тэорыя пратэіна стала падвяргацца крытыцы, але, нягледзячы на гэта, да канца 1850-х усё яшчэ лічылася агульнапрызнанай.

Да канца 19 стагоддзя было даследавана большасць амінакіслот, якія ўваходзяць у склад бялкоў. У канцы 1880-х гадоў рускі вучоны А. Я. Данілеўскі адзначыў існаванне пептыдных груп (CO-NH) у малекуле бялку ^[3][4]. У 1894 годзе нямецкі фізіёлаг Альбрэхт Косель вылучыў тэорыю, згодна з якой менавіта амінакіслоты з'яўляюцца асноўнымі структурнымі элементамі бялкоў^[5]. У пачатку 20 стагоддзя нямецкі хімік Эміль Фішэр эксперыментальна даказаў, што бялкі складаюцца з амінакіслотных астаткаў, злучаных пептыднымі сувязямі. Ён жа ажыццявіў першы аналіз амінакіслотнай паслядоўнасці бялку і патлумачыў з'яву пратэоліза.

Аднак цэнтральная роля бялкоў у арганізме не была прызнана да 1926 года, калі амерыканскі хімік Джэймс Самнер (пасля — лаўрэат Нобелеўскай прэміі па хіміі) паказаў, што фермент урэазы з'яўляецца бялком ^[6].

Складанасць выдзялення чыстых бялкоў абцяжарвала іх вывучэнне. Таму першыя даследаванні праводзіліся з выкарыстаннем тых поліпептыдаў, якія лёгка маглі быць ачышчаны ў вялікай колькасці, гэта значыць бялкоў крыві, курыных яек, розных таксінаў, а таксама стрававальных / метабалічных ферментаў, што выдзяляюцца пасля забою жывёлы. У канцы 1950-х гадоў кампанія Armour Hot Dog Co. змагла ачысціць кілаграм бычынай панкрэатычнай рыбануклеазы А, якая стала эксперыментальным аб'ектам для шматлікіх даследаванняў.

Ідэя аб тым, што другасная структура бялкоў — вынік утварэння вадародных сувязяў паміж амінакіслотнымі астаткамі, была выказана Уільямам Астберы ў 1933 годзе, але Лайнус Карл Полінг лічыцца першым вучоным, які змог паспяхова прадказаць другасную структуру бялкоў. Пазней Уолтар Каўзман, абапіраючыся на працы Кая Ліндэрстром-Ланга, унёс значны ўклад у разуменне законаў утварэння трацічнай структуры бялкоў і ролі ў гэтым працэсе гідрафобных узаемадзеянняў. У канцы 1940-х — пачатку 1950-х гадоў Фрэдэрык Сенгер распрацаваў метад секвеніравання бялкоў, з дапамогай якога ён да 1955 года вызначыў амінакіслотную паслядоўнасць двух ланцугоў інсуліну^[7][8][9], прадэманстраваўшы, што бялкі — гэта лінейныя палімеры амінакіслот, а не разгалінаваныя (як у некаторых цукроў) ланцугі, калаіды або цыклолы.

Першыя прасторавыя структуры бялкоў, атрыманыя метадам дыфракцыі рэнтгенаўскіх прамянёў (рэнтгенаструктурнага аналізу) сталі вядомы ў канцы 1950-х — пачатку 1960-х гадоў, а структуры, адкрытыя з дапамогай ядзернага магнітнага рэзанансу — у 1980-х гадах. У 2012 годзе Банк дадзеных аб бялках (Protein Data Bank) утрымліваў каля 87 000 структур бялкоў ^[10].

У 21 стагоддзі даследаванне бялкоў перайшло на якасна новы ўзровень, калі даследуюцца не толькі індывідуальныя ачышчаныя бялкі, але і адначасовае змяненне колькасці і посттрансляцыённых мадыфікацый вялікай колькасці бялкоў асобных клетак, тканак або цэлых арганізмаў. Гэтая галіна біяхіміі называецца пратэёміка. З дапамогай метадаў біяінфарматыкі стала магчыма не толькі апрацоўваць дадзеныя рэнтгенаструктурнага аналізу, але і прадказваць структуру бялку на падставе яго амінакіслотнай паслядоўнасці. У цяперашні час крыаэлектронная мікраскапія буйных бялковых комплексаў і прадказанне прасторавых структур бялковых даменаў з дапамогай камп'ютарных праграм набліжаюцца да атамарнай дакладнасці^[11].

Паводле паходжання і крыніц атрымання бялкі падзяляюцца на

• раслінныя,
• жывёльныя,
• бактэрыяльныя.

Паводле хімічнага саставу выдзяляюць бялкі

• простыя (некан'югіраваныя) — пратэіны, якія складаюцца з астаткаў амінакіслот, што злучаны паміж сабою пептыднай сувяззю (—NH—CO) у доўгія ланцугі — поліпептыды;
• складаныя (кан'югіраваныя) — пратэіды, якія складюцца з простага бялка, злучанага з небялковым арганічным ці неарганічным кампанентам непептыднай прыроды, т. зв. прастэтычнай групай, далучанай да поліпептыднай часткі. Сярод складаных бялкоў паводле тыпу прастэтычнай групы вылучаюць
  • нуклеапратэіды
  • фосфапратэіды
  • глікапратэіды
  • металапратэіды
  • гемапратэіды
  • флавапратэіды
  • ліпапратэіды і інш.

Памер бялку можа вымярацца колькасцю амінакіслотных астаткаў або ў дальтонах (малекулярная маса), але з-за адносна вялікай велічыні малекулы маса бялку вымяраецца ў вытворных адзінках — кіладальтонах (кДа). Бялкі дрожджаў, у сярэднім, складаюцца з 466 амінакіслотных астаткаў і маюць малекулярную масу 53 кДа. Самы вялікі з вядомых у цяперашні час бялкоў — тытын — з'яўляецца кампанентам саркамераў мускулаў; малекулярная маса яго розных варыянтаў (ізаформ) вар'іруецца ад 3000 да 3700 кДа. Тытын камбалападобнай цягліцы (лац.: soleus) чалавека складаецца з 38138 амінакіслот^[12].

Для вызначэння малекулярнай масы бялкоў выкарыстоўваюць такія метады, як гель-фільтраванне, электрафарэз у поліакріламіднам гелі, мас-спектраметрычны аналіз, седыментацыйны аналіз і іншыя^[13].

Агульны хімічны састаў бялкоў (у % у пераліку на сухое рэчыва): вуглярод — 50-55, кісларод — 21-23, азот — 15-18, вадарод — 6-7,5, сера — 0,3-2,5, фосфар — 1-2 і інш.

Большасць бялкоў раствараецца ў вадзе і ўтварае малекулярныя растворы.

Па растваральнасці ў вадзе, растворах нейтральных соляў, шчолачаў, кіслотах і арганічных растваральніках вылучаюць альбуміны, гістоны, глабуліны, глютэліны, праламіны, пратаміны і пратэіноіды.

Бялкі маюць кіслыя карбаксільныя і амінныя групы, таму ў растворах яны амфатэрныя (маюць уласцівасці асноў і кіслот). Пры гідролізе яны распадаюцца да амінакіслот; пад уплывам розных фактараў здольныя да дэнатурацыі і каагуляцыі, уступаюць у рэакцыі акіслення, аднаўлення, нітравання і інш.

Пры пэўных значэннях pH у растворах бялкоў пераважае дысацыяцыя тых ці іншых груп, што надае ім адпаведны зарад і выклікае рух у электрычным полі — электрафарэз.

Структура бялкоў характарызуецца амінакіслотным саставам, парадкам чаргавання амінакіслотных астаткаў у поліпептыдных ланцугах, іх даўжынёй і размеркаваннем у прасторы.

У састаў бялкоў уваходзіць ад 50 да 6000 і больш астаткаў 20 амінакіслот, што ўтвараюць складаныя поліпептыдныя ланцугі.

Амінакіслотны састаў розных бялкоў неаднолькавы і з'яўляецца іх істотнай характарыстыкай, а таксама мерай харчовай каштоўнасці. Паслядоўнасць амінакіслот у кожным бялку вызначаецца паслядоўнасцю монануклеатыдных будаўнічых блокаў у асобных адрэзках малекулы ДНК. Вядома амінакіслотная паслядоўнасць некалькіх соцень бялкоў (напрыклад, адрэнакортыкатропнага гармону чалавека, рыбануклеазы, цытахромаў, гемаглабіну і інш.).

Парушэнні амінакіслотнай паслядоўнасці ў малекуле бялка выклікаюць т.зв. малекулярныя хваробы.

Амінакіслотную паслядоўнасць поліпептыднага ланцуга для малекулы гармону інсуліну ўстанавіў у 1953 годзе англійскі біяхімік Ф. Сенгер.

Звесткі пра колькасць адрозненняў у амінакіслотных паслядоўнасцях гамалагічных бялкоў, узятых з розных відаў арганізмаў, выкарыстоўваюць пры складанні эвалюцыйных картаў, якія адлюстроўваюць паслядоўныя этапы ўзнікнення і развіцця пэўных відаў арганізмаў у працэсе эвалюцыі.

К. Ліндстром-Ланг прапанаваў выдзяляць 4 ўзроўні структурнай арганізацыі бялкоў: першасную, другасную, трацічную і чацвярцічную структуры. Хоць такі падзел крыху састарэў, ім працягваюць карыстацца^[1]. Першасная структура (паслядоўнасць амінакіслотных астаткаў) поліпептыда вызначаецца структурай яго гена і генетычным кодам, а структуры больш высокіх парадкаў фарміруюцца ў працэсе згортвання бялку^[14]. Хоць прасторавая структура бялку ў цэлым вызначаецца яго амінакіслотнай паслядоўнасцю, яна з'яўляецца даволі лабільнай і можа залежыць ад знешніх умоў, таму больш правільна казаць пра пераважную або найбольш энергетычна выгадную канфармацыю бялку^[1].

4 парадкі (узроўні) структуры бялкоў:

• першасная (лінейная паслядоўнасць амінакіслотных астаткаў у поліпептыдным ланцугу),
• другасная (прасторавая, найчасцей спіральная прасторавая канфігурацыя, якую прымае сам поліпептыдны ланцуг),
• трацічная (трохмерная канфігурацыя, якая ўзнікае ў выніку складвання або закручвання структур другаснага парадку ў больш кампактную глабулярную форму),
• чацвярцічная (злучэнне некалькіх частак з трацічнай структурай у адну больш буйную комплексную праз некавалентныя сувязі).

Найбольш устойлівая першасная структура бялкоў, іншыя лёгка разбураюцца пры павышэнні тэмпературы, рэзкім змяненні pH асяроддзя і іншых уздзеяннях (дэнатурацыя бялкоў), што вядзе да страты асноўных біялагічных уласцівасцяў. Фарміраванне прасторавай канфігурацыі малекул бялка вызначаецца наяўнасцю ў поліпептыдных ланцугах вадародных, дысульфідных, эфірных і салявых сувязяў, сіл Ван дэр Ваальса і інш.

Па агульнаму тыпу будовы бялкі можна разбіць на тры групы:

• Фібрылярныя бялкі — утвараюць палімеры, іх структура звычайна высокарэгулярна і падтрымліваецца, у асноўным, узаемадзеяннямі паміж рознымі ланцугамі. Яны ўтвараюць мікрафіламенты, мікратрубачкі, фібрылы, падтрымліваюць структуру клетак і тканак. Да фібрылярных бялкоў адносяцца кератын і калаген.
• Глабулярныя бялкі — вадарастваральныя, агульная форма малекулы больш ці менш сферычная.
• Мембранныя бялкі — маюць перасякаючыя клеткавую мембрану дамены, але часткі іх выступаюць з мембраны ў міжклеткавае асяроддзе і цытаплазму клеткі. Мембранныя бялкі выконваюць функцыю рэцэптараў, гэта значыць ажыццяўляюць перадачу сігналаў, а таксама забяспечваюць трансмембранны транспарт розных рэчываў. Бялкі-транспарцёры спецыфічныя, кожны з іх прапускае праз мембрану толькі пэўныя малекулы або пэўны тып сігналу.

Многія прыродныя бялкі і бялковыя ўтварэнні выкарыстоўваюць у прамысловасці (напрыклад, для вырабу скуры, шэрсці, натуральнага шоўку, казеіну, пластмасаў і інш.), медыцыне і ветэрынарыі (як лекавыя сродкі і біястымулятары, напрыклад, інсулін пры цукровым дыябеце, сываратачны альбумін як заменнік крыві, гама-глабулін для прафілактыкі інфекцыйных захворванняў, бялкі-ферменты для лячэння парушэнняў абмену рэчываў, гідралізатары бялкоў для штучнага жыўлення).

Для атрымання пажыўных і кармавых бялкоў выкарыстоўваюць мікрабіялагічны сінтэз. Вядуцца даследаванні па штучным сінтэзе бялковых малекул (штучна сінтэзаваны фермент рыбануклеаза і інш.).

Бялкі — адзін з галоўных аб'ектаў даследаванняў біяхіміі, імуналогіі і іншых раздзелаў біялагічнай навукі.

Пасля завяршэння трансляцыі большасць бялкоў падвяргаецца далейшым хімічным мадыфікацыям, якія называюцца посттрасляцыйнымі мадыфікацыямі^[15]. Вядома больш за дзвесце варыянтаў посттрасляцыйных мадыфікацый бялкоў^[16].

Посттрасляцыйныя мадыфікацыі могуць рэгуліраваць працягласць існавання бялкоў у клетцы, іх ферментатыўную актыўнасць і ўзаемадзеянне з іншымі бялкамі. У шэрагу выпадкаў посттрасляцыйныя мадыфікацыі з'яўляюцца абавязковым этапам паспявання бялку, у адваротным выпадку ён аказваецца функцыянальна неактыўным. Напрыклад, пры паспяванні інсуліну і некаторых іншых гармонаў неабходны абмежаваны пратэоліз поліпептыднага ланцуга, а пры паспяванні бялкоў плазматычнай мембраны — гліказіліраванне.

Посттрасляцыйныя мадыфікацыі могуць быць як шырока распаўсюджанымі, так і рэдкімі, нават унікальнымі. Прыкладам універсальнай мадыфікацыі служыць убіквіцініраванне (далучэнне да бялку ланцуга з некалькіх малекул кароткага бялку убіквіціна), якое служыць сігналам да расшчаплення гэтага бялку пратэасомай^[17]. Іншай распаўсюджанай мадыфікацыяй з'яўляецца гліказіліраванне — лічыцца, што каля паловы бялкоў чалавека гліказіліраваныя^[18]. Да рэдкіх мадыфікацый адносяць тыразініраванне/дэтыразініраванне і полігліцыліраванне тубуліна^[19].

Адзін і той жа бялок можа падвяргацца шматлікім мадыфікацыям. Так, гістоны (бялкі, якія ўваходзяць у склад храмаціна ў эўкарыётах) у розных умовах могуць падвяргацца больш чым 150 розным мадыфікацыям^[20].

Посттрасляцыйныя мадыфікацыі дзеляць на:

• мадыфікацыі галоўнага ланцугу;
  • адшчапленнем N-канцавога астатку метыаніна;
  • абмежаваны пратэоліз — выдаленне фрагмента бялку, якое можа адбывацца з канцоў (адшчапленнем сігнальных паслядоўнасцей) або, у асобных выпадках, у сярэдзіне малекулы (паспяванне інсуліну);
  • далучэнне розных хімічных груп да свабодных аміна- і карбаксільных груп (N-ацыліраванне, мірыстаіліраванне і інш.);
• мадыфікацыі бакавых ланцугоў амінакіслот;
  • далучэнне або адшчапленне невялікіх хімічных груп (гліказіліраванне, фасфараліраванне і інш.);
  • далучэнне ліпідаў і вуглевадародаў;
  • змена стандартных амінакіслотных астаткаў на нестандартныя (утварэнне цытруліна);
  • утварэнне дысульфідных масткоў паміж рэшткамі цыстэіна;
• далучэнне невялікіх бялкоў (сумаіліраванне і убіквіцініраванне).

• Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 3: Беларусы — Варанец / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 1996. — Т. 3. — 511 с. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0035-8. — ISBN 985-11-0068-4 (т. 3).

• На Вікісховішчы ёсць медыяфайлы па тэме Бялкі