Белок (объемная статья). Строение. Свойства. Функции. Усвоение. Обмен.

Источник: "Пособие для инструкторов-общественников, студентов ", составитель: О.И. Тютюнник (мастер спорта СССР по тяжелой атлетике)

​

СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ​

Белки - природные высокомолекулярные органические соединения, построенные из 20 аминокислот. Молекула белка - неразветвляющийся полимер, минимальная структурная единица которого - мономер - представлена аминокислотой. Аминокислоты в молекуле белка соединены карбамидной (полипептидной) связью в длинные цепи. Молекулярная масса - от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц. В зависимости от формы белковой молекулы различают глобулярные и фибриллярные белки.

Глобулярные белки отличаются шарообразной формой молекулы, растворимы в воде и солевых растворах. Хорошая растворимость объясняется локализацией на поверхности глобулы заряженных аминокислотных остатков, окруженных гидратной оболочкой, что обеспечивает хороший контакт с растворителем. К этой группе относятся все ферменты и большинство биологически активных белков.

Фибриллярные белки характеризуются волокнистой структурой, практически нерастворимы в воде и солевых растворах. Полипептидные цепи в молекулах расположены параллельно одна другой. Участвуют в образовании структурных элементов соединительной ткани (коллагены, кератины, эластины). Особая группа - сложные белки, в состав которых кроме аминокислот входят углеводы, нуклеиновые кислоты и т.д. Во всех живых организмах белки играют исключительно важную роль. Они участвуют в построении клеток и тканей, являются биокатализаторами (ферменты), гормонами, дыхательными пигментами (гемоглобины), защитными веществами (иммуноглобулины) и др. Биосинтез белков происходит на рибосомах и определяется кодом нуклеиновых кислот в процессе трансляции.

20 аминокислот, соединенных друг с другом в цени и чередующихся в различных последовательностях, являют всё многообразие природных белков. Организм человека способен образовывать многие аминокислоты из других веществ пиши, однако 9 аминокислот он не может синтезировать сам и обязательно должен получать их с пищей. Такие кислоты называют незаменимыми, или эссенциальными. Это валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин, гистидин. К заменимым аминокислотам относятся аланин, аспарагин, аспарагиновая кислота, аргинин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, пролин, цистеин, тирозин, серии. Если в белке недостает какой-либо незаменимой аминокислоты, белок не будет усвоен полностью. С этой точки зрения продукты животного происхождения (мясо, рыба, молоко) больше соответствуют потребностям человека, чем растительные продукты.

Первичная структура - понятие, обозначающее последовательность аминокислотных остатков в белке. Пептидная связь - основной вид связи, определяющий первичную структуру.

Вторичная структура характеризует форму белковой цепи в пространстве. Эта форма изменяется в зависимости от набора аминокислот и их последовательности в полипептидной цепи. Различают две основные формы вторичной структуры: α-спираль и β-конфигурацию. Форму α-спирали имеют многие белки. Представить её можно как правильную спираль, образованную на поверхности цилиндра. Устойчивость спиралевидной конфигурации определяется многочисленными водородными связями между СО- и NH-группами пептидных связей; β -конфигурация свойственна небольшому числу белков. По форме эту структуру можно сравнить с мехами гармошки (складчатая структура)

Третичная структура возникает благодаря изгибам пептидной цепи в пространстве. Представить эту конфигурацию можно как спирать, образованную на цилиндре, ось которого периодически меняет направление, что приводит к образованию изгибов.

​

СВОЙСТВА БЕЛКОВ​

Растворимость зависит от рН раствора, природы растворителя (его диэлектрической проницаемости), концентрации электролита, т.е. от ионной силы и вида противоиона и от структуры белка. Хорошо растворимы глобулярные белки, значительно хуже - фибриллярные. При низкой ионной силе ионы повышают растворимость белка, нейтрализуя его заряженные группы. Так, эуглобулины нерастворимы в воде, но растворяются в слабых растворах поваренной соли. При высокой ионной силе ионы способствуют осаждению белков, как бы конкурируя с ними за молекулы воды - так называемое высаливание белков. Органические растворители осаждают белки, вызывая их денатурацию.

Электролитические свойства белков обусловлены тем, что в основной среде молекулы ведут себя как полианионы с отрицательным, а в кислой среде - с положительным суммарным зарядом. Это определяет способность белков мигрировать в электрическом поле к аноду или катоду, в зависимости от суммарного заряда. На этом свойстве белков основан анализ их смеси - электрофорез.
Денатурация белка - следствие разрыва слабых связей, ведущего к разрушению вторичной и третичной структур. Молекула денатурированного белка неупорядочена - она приобретает характер случайного (статистического) клубка. Как правило, денатурация белка необратима, но в некоторых случаях после устранения денатурирующего агента может произойти ренатурация - восстановление вторичной и третичной структур и свойств.

Денатурирующие агенты: высокие температуры (разрыв водородных и гидрофобных связей), кислоты и основания (нарушение электростатических связей), органические растворители (нарушение преимущественно гидрофобных связей).

К денатурирующим агентам относятся также детергенты, соли Тяжелых металлов, ультрафиолет и другие виды излучений.

Денатурация не нарушает ковалентных связей, но повышает их доступность для других факторов, в частности для энзимов.

​

ФУНКЦИИ БЕЛКОВ​

Каталитическая или ферментативная. Все химические превращения в живом организме протекают при участии катализаторов. Биологические катализаторы (ферменты) по химической природе белки, катализирующие в организме химические превращения, из которых складывается обмен веществ.

Транспортная функция. Белки транспортируют или переносят биологически значимые соединения в организме. В одних случаях транспортируемое соединение сорбируется белковой молекулой. Это защищает их от разрушения и обеспечивает перенос с током крови. Этот вид транспорта называют пассивным. С помощью мембранных белков переносятся соединения из зон с низкой концентрацией в зону с высокой. Это сопряжено с заметным потреблением энергии и называется активным транспортом.

Механохимическая функция - способность некоторых белков изменять конформацию, т.е. уменьшать длину молекулы, сокращаться. Такие белки называют сократительными (мышечные белки), поскольку они выполняют механическую работу за счет энергии химических связей.

Структурная (пластическая) функция выполняется главным образом фибриллярными белками - элементами клеточных мембран. Эти белки в составе соединительных тканей обеспечивают их прочность и эластичность: кератин шерсти и волос, коллагены сухожилий, кожи, хрящей, стенок сосудов и связывающих тканей.

Гормональная функция (функция управления) реализуется гормонами пептидной или белковой природы. Они влияют на продукцию или активность белков-ферментов и изменяют скорость катализируемых ими химических реакций, т.е. управляют обменными процессами

Защитная функция белков реализуется антителами, интерферонами, фибриногеном.

Антитела - соединения белковой природы, синтез которых индуцируется в процессе иммунного ответа - реакции организма на проникновение во внутреннюю среду посторонних белков или других антигенных компонентов (например, высокомолекулярных углеводов). Антитела, соединяясь с антигеном, образуют нерастворимый комплекс, делая антиген безопасным для организма.

Интерфероны - глюкопротеины, синтезирующиеся клеткой после проникновения в неё вируса. В отличие от антител интерфероны не взаимодействуют с антигеном, а вызывают образование внутриклеточных ферментов. Они блокируют синтез вирусных белков, препятствуя копированию вирусной информации. Это приостанавливает размножение вируса.

Фибриноген - растворимый белок плазмы, который на последней стадии процесса свёртывания крови трансформируется в фибрин - нерастворимый белок. Фибрин образует каркас тромба, ограничивающего кровопотерю.

Плазмин - белок плазмы крови, катализирующий расщепление фибрина. Это обеспечивает восстановление проходимости сосуда, закупоренного фибриновым сгустком.

Энергетическая функция белков обеспечивается за счет части аминокислот, высвобождающихся при расщеплении белка в тканях. В процессе окислительно восстановительного распада аминокислоты высвобождают энергию и синтезируют энергоноситель - АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). На долю белка приходится около 18% энергопотребления человека.

​

УСВОЕНИЕ БЕЛКОВ​

Среди органических веществ живой материи белки по своему значению и биологическим функциям занимают особое место. Около 30 % всех белков человеческого тела находятся в мышцах, около 20% - в костях и сухожилиях и около 10% - в коже. Но наиболее важными белками являются ферменты. Количество их в организме невелико, однако они управляют рядом весьма важных химических реакций. Все процессы, происходящие в организме: переваривание пищи, окислительные реакции, активность желез внутренней секреции, мышечная деятельность и работа мозга - регулируются ферментами. Разнообразие их огромно. В единичной клетке их многие сотни.

Белки или, как их иначе называют, протеины, имеют очень сложное строение и являются наиболее сложными из питательных веществ. Белки - обязательная составная часть всех живых клеток. В состав белков входят углерод, водород, кислород, азот, сера и иногда фосфор. Наиболее характерно для белка наличие в нем азота.

Другие питательные вещества азота не содержат. Поэтому белок называют азотсодержащим веществом. Основные азотсодержащие вещества, из которых состоит белок - это аминокислоты. Количество аминокислот невелико - их известно только 28. Все громадное разнообразие встречающихся в природе белков представляет собой различное сочетание известных аминокислот. От их сочетания зависят свойства и качества белков.

При соединении двух или нескольких аминокислот образуется более сложное соединение - полипептид. Полипептиды, соединяясь, образуют ещё более крупные и сложные частицы и в итоге - сложную молекулу белка.

В пищеварительном тракте через ряд промежуточных стадий (альбумозы и пептоны) белки расщепляются на более простые соединения (полипептиды) и далее на аминокислоты. Аминокислоты, в отличие от белка, легко всасываются и усваиваются организмом. Они используются организмом для образования собственного специфического белка. Если же вследствие избыточного поступления аминокислот их расщепление в тканях продолжается, то они окисляются до углекислого газа и воды.

Большинство белков растворяется в воде. Молекулы белков в силу их больших размеров почти не проходят через поры клеточных мембран. При нагревании водные растворы белков свёртываются. Есть белки (например, желатина), которые растворяются в воде только при нагревании.

При поглощении пища сначала попадает в ротовую полость, а затем по пищеводу в желудок. Чистый желудочный сок бесцветен, имеет кислую реакцию, которая обусловлена наличием соляной кислоты в концентрации 0,5%.

Желудочный сок обладает свойством переваривать пищу, что связано с наличием в нём ферментов. Он содержит пепсин - фермент, расщепляющий белок на пептоны и альбумозы. Железами желудка пепсин вырабатывается в неактивном виде, активным становится при воздействии на него соляной кислоты. Пепсин действует только в кислой среде и при попадании в щелочную среду становится неактивным.

Пища, поступив в желудок, задерживается в нём от 3 до 10 часов. Срок пребывания пищи в желудке зависит от её характера и физического состояния - жидкая она или твёрдая. Вода покидает желудок немедленно после поступления. Пища, содержащая большее количество белков, задерживается в желудке дольше, чем углеводная; ещё дольше остаётся в желудке жирная пища. Продвижение пищи происходит благодаря сокращению желудка, что способствует переходу в пилорическую часть, а затем в двенадцатиперстную кишку уже значительно переваренной пищевой кашицы, где происходит её дальнейшее переваривание. Здесь на пищевую кашицу изливается сок кишечных желёз, которыми усеяна слизистая оболочка кишки, а также сок поджелудочной железы и желчь. Под влиянием этих соков пищевые вещества - белки, жиры, углеводы - подвергаются дальнейшему расщеплению и доводятся до такого состояния, когда могут всосаться в кровь и лимфу.
Поджелудочный сок бесцветен и имеет щелочную реакцию.

Одним из основных ферментов является трипсин, находящийся в соке поджелудочной железы в недеятельном состоянии в виде трипсиногена. Трипсиноген не может расщеплять белки, если не будет переведен в активное состояние, т.е. в трипсин. Это происходит под влиянием находящегося в кишечном соке вещества энтерокиназы. Энтерокиназа образуется в слизистой оболочке кишечника. В двенадцатиперстной кишке действие пепсина прекращается, так как пепсин- действует только в кислой среде. Дальнейшее переваривание белков продолжается уже под влиянием трипсина.

Трипсин очень активен в щелочной среде. Его действие продолжается и в кислой среде, но активность падает. Трипсин действует на белки и расщепляет их до альбумоз и пептонов и далее до аминокислот.

В желудке и двенадцатиперстной кишке белки, жиры и углеводы расщепляются почти полностью, только часть их остается непереваренной. В тонких кишках под влиянием кишечного сока происходит окончательное расщепление всех пищевых веществ и всасывание продуктов в кровь. Это происходит через капилляры, каждый из которых подходит к ворсинке, расположенной на стенке тонких кишок.

​

ОБМЕН БЕЛКОВ​

После расщепления белков в пищеварительном тракте образовавшиеся аминокислоты всасываются в кровь вместе с незначительным количеством полипептидов - соединений, состоящих из нескольких аминокислот. Из аминокислот клетки нашего тела синтезируют белок, который отличается от потребленного белка и характерен для данного человеческого организма.

Образование нового белка в организме человека и животных идёт беспрерывно, так как в течение всей жизни взамен отмирающих клеток крови, кожи, слизистой оболочки кишечника и т.д. создаются новые, молодые клетки. Белки поступают с пищей в пищеварительный канал, где они подвергаются расщеплению на аминокислоты, и уже из всосавшихся аминокислот образуется специфичный для данных клеток белок. Если же, минуя пищеварительный тракт, ввести белок непосредственно в кровь, то он не только не может быть использован человеческим организмом, но и вызовет ряд серьёзных осложнений. На такое введение белка организм отвечает резким повышением температуры и некоторыми другими явлениями. При повторном введении белка через 15-20 дней может наступить даже смерть при параличе дыхания, резком нарушении сердечной деятельности и общих судорогах.

Белки не могут быть заменены какими-либо другими пищевыми веществами, так как синтез белка в организме возможен только из аминокислот. Поэтому так необходимо поступление всех или наиболее важных аминокислот.

Из известных аминокислот не все имеют одинаковую ценность для организма. Среди них есть такие, которые могут быть заменены другими или синтезированными в организме из других аминокислот. Наряду с этим есть незаменимые аминокислоты, при отсутствии которых или даже одной из них белковый обмен в организме нарушается.

Белки не всегда содержат все аминокислоты, в одних - большее количество необходимых организму аминокислот, в других - меньшее. Разные белки содержат различные аминокислоты и б разных соотношениях.

Белки, в состав которых входят все необходимые организму аминокислоты, называются полноценными. Белки, не содержащие всех необходимых аминокислот, являются неполноценными.

Для человека важно поступление полноценных белков, так как из них организм может свободно синтезировать свои специфические белки. Однако полноценный белок может быть заменен двумя или тремя неполноценными белками, которые, дополняя друг друга, дают в сумме все необходимые аминокислоты. Следовательно, для нормальной жизнедеятельности организма необходимо, чтобы в пище содержались полноценные белки или набор неполноценных белков, по аминокислотному содержанию равных полноценным белкам.

Поступление полноценных белков с пищей крайне важно для растущего организма, так как в организме ребёнка наряду с восстановлением отмирающих клеток, как у взрослых, в большом количестве создаются новые клетки.

Обычная смешанная пища содержит разнообразные белки, которые в сумме обеспечивают потребность организма в аминокислотах. Важны не только биологическая ценность поступающих с пищей белков, но и их количество. При недостаточном поступлении белков нормальный рост организма приостанавливается или задерживается, так как потребности в белке не покрываются из-за его недостаточного поступления.

К полноценным белкам относятся преимущественно белки животного происхождения, кроме желатины, являющейся неполноценным белком. Неполноценные белки - преимущественно растительного происхождения. Однако некоторые растения (картофель, бобовые и др.) содержат полноценные белки. Из животных белков особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, яиц, молока и др.

Мир