Вы уже знаете, насколько разнообразными могут быть белковые молекулы. А разнообразие молекул, в свою очередь, определяет многообразие их функций.

• Строительная, или структурная, функция заключается в том, что белки являются компонентом клеточных мембран. Из белков построены структуры скелета клеток (микротрубочки и микронити), которые закрепляют в определенном положении органеллы или же обеспечивают их передвижение по клетке. Белки также входят в состав рибосом, хромосом и почти всех других клеточных структур.

Рис. 10.1. Структуры, в состав которых входит белок: 1 - бородки пера птицы; 2 - кровяной сгусток (тромб); 3 - паутина; 4 - волосы человека

Главным компонентом хрящей и сухожилий является упругий и прочный белок коллаген. Волокна этого белка есть и в других разновидностях тканей внутренней среды. Эластин, который входит в состав связок, способен растягиваться; упругость костям придает белок коллаген. Кератин, как вам известно, входит в состав таких образований позвоночных животных, как когти, ногти, рога, копыта, клювы, волосы, иглы и т. п. Основой шелковых нитей и паутины служит белок фиброин (рис. 10.1).

• Энергетическая функция белков заключается в том, что при полном расщеплении 1 г белков в среднем освобождается 17,2 кДж энергии.

• Защитная функция белков. Структуры, в состав которых входят белки (наружный скелет членистоногих, кости, хрящевые образования), предотвращают повреждение тканей и органов. Белки защищают организмы от проникновения извне чужеродных веществ и болезнетворных микроорганизмов. Иммуноглобулины (или антитела) позвоночных животных - специализированные белки, способные распознать и обезвредить бактерии, вирусы, другие посторонние для организма структуры и вещества - антигены, воспринимаемые им как инородные. Они вызывают специфический иммунный ответ. Иммуноглобулинам присуща специфичность - определенное антитело образуется в ответ на поступление в организм того или иного антигена. Интерферон - это белок, который подавляет жизнедеятельность и размножение вирусов. На его основе созданы лечебные антивирусные препараты. Белки крови (вспомните, какие) участвуют в процессах ее свертывания и образования тромбов, предотвращая кровопотери при повреждении стенок кровеносных сосудов. Защитную функцию могут выполнять некоторые ферменты, например лизоцим, который содержится в слюне, слизистых оболочках, слезной жидкости и обезвреживает различные болезнетворные агенты.

• Сигнальная функция белков заключается в том, что некоторые сложные белки (гликопротеиды) клеточных мембран способны «распознавать» специфические химические соединения и определенным образом на них реагировать. Связывая их или изменяя свою структуру, они тем самым передают сигналы об этих веществах на другие участки мембраны или внутрь клетки. Эта функция белков обеспечивает важное свойство клеток - раздражимость.

• Сократительная, или двигательная, функция. Некоторые белки обеспечивают способность клеток, тканей или целого организма изменять форму, двигаться. Например, белки актин и миозин, входящие в состав мышечных клеток, обеспечивают их способность к сокращению. Белок тубулин входит в состав микротрубочек, жгутиков и ресничек клеток эукариот.

• Резервная функция. Некоторые белки откладываются впрок и могут служить запасом питательных веществ для организма. Например, белки накапливаются в яйцеклетках животных, клетках эндосперма растений. Эти белки зародыш потребляет на ранних этапах своего развития.

• Еще одна из функций белков - транспортная. Вспомните, гемоглобин и другие подобные ему дыхательные пигменты крови человека и многоклеточных животных способны образовывать неустойчивые соединения с кислородом или углекислым газом и благодаря циркуляции крови и других жидкостей транспортировать эти вещества, обеспечивая процессы клеточного и тканевого дыхания.

Кроме того, гемоглобин позволяет сохранять резерв кислорода в организме в связанном состоянии. Это имеет значение для животных - обитателей богатых органикой водоемов в условиях дефицита кислорода (личинки комаров-дергунов - мотыль, малощетинковые черви - трубочники и т. п.).

Транспортные белки переносят липиды, синтезирующиеся на мембранах эндоплазматической сети, к другим органеллам. Белки, встроенные в плазматическую мембрану, обеспечивают транспорт веществ в клетку и из клетки наружу.

• Функция противодействия неблагоприятным температурам. В плазме крови некоторых рыб содержатся белки, которые предотвращают ее замерзание в условиях низких температур. У организмов, обитающих в горячих источниках, есть белки, которые не денатурируют даже при температурах +50...90 °С.

• Многие белки выполняют регуляторную функцию. Белковую природу имеют некоторые гормоны и нейрогормоны, регулирующие активность обмена веществ, процессы роста и развития организмов (например, гормон роста).

• Каталитическая функция присуща особенным белкам - ферментам, или энзимам, влияющим на протекание биохимических реакций (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Функции ферментов. I. Фермент (1) временно соединяется с веществом (2) и обеспечивает его расщепление на простые соединения (3). II. Фермент (1) вступает во временный комплекс с двумя молекулами (3) и обеспечивает их реакцию с образованием более сложного вещества (4). После реакции структура фермента не изменяется (5) и он готов обеспечивать новые реакции

Катализ (от греч. катализ - прекращение) - изменение скорости протекания химических реакций под действием определенных химических соединений.

Ферменты бывают простыми и сложными. Простые ферменты - это белковые молекулы (пепсин, трипсин и т. п.), состоящие лишь из аминокислотных остатков. Сложные ферменты, кроме белковой части, содержат еще и небелковую, которую называют кофактором. Кофакторами могут быть неорганические катионы или анионы, а также органические вещества (коферменты), например производные витаминов. Белковый компонент определяет, какую именно реакцию катализирует данный сложный фермент. Активность сложных ферментов проявляется лишь тогда, когда их белковая и небелковая части соединены.

Каталитическая активность фермента определена не всей его молекулой, а лишь ее небольшим участком - активным центром. Его пространственная структура отвечает химическому строению вступающих в реакцию веществ. Активный центр отвечает за присоединение и превращение этих соединений. Именно поэтому действие фермента специфично. Часто в состав активного центра входят производные витаминов или атомы металлов. В одной молекуле фермента может быть несколько активных центров.

Ферменты образуют неустойчивые комплексы с веществами, вступающими в реакцию. Ферментативная реакция осуществляется в 106-1012 раз быстрее, чем в среде без ферментов. За несколько секунд или даже доли секунды в организме происходит сложная последовательность реакций, для осуществления которых с применением обычных химических катализаторов нужны дни, недели или даже месяцы и годы. Это объясняют тем, что для осуществления любой химической реакции необходим контакт между реагентами. Чтобы состоялась реакция без участия ферментов, нужны высокая концентрация реагирующих веществ в среде или повышенная температура, при которой ускоряется движение молекул и возрастает вероятность контактов молекул реагирующих соединений. Но в организмах концентрация веществ часто очень низкая, а высокие температуры для них опасны. Именно поэтому биохимические реакции не могут происходить без участия ферментов.

При контакте с ферментом вещество (субстрат), вступающее в реакцию, располагается в непосредственной близости к специфическим группам его активного центра. При этом уменьшается стабильность химических связей в молекуле субстрата. Известно, что для протекания химической реакции молекула субстрата должна перейти в так называемое активированное состояние, когда облегчается разрыв химических связей. Энергию, необходимую для такого перехода, называют энергией активации (на разрыв определенной связи тратится энергии не меньше, чем потрачено на его образование). Другими словами, энергия активации необходима для того, чтобы началась соответствующая химическая реакция. Образовавшийся комплекс «фермент - вещества, вступающие в реакцию» снижает энергию активации. Такой комплекс быстро распадается с образованием продуктов реакции. Сам фермент при этом не теряет своей активности и может катализировать следующую подобную реакцию.

Одни ферменты обеспечивают расщепление, другие - синтез определенных веществ. Например, фермент целлюлаза обеспечивает расщепление клетчатки (целлюлозы).

Активность фермента проявляется лишь в определенных условиях: тех или иных значениях температуры, давления, pH и т. п. Существуют и специальные вещества, способные снижать активность ферментов (ингибиторы). Они связываются с активными центрами ферментов и блокируют их активность. В роли ингибиторов могут выступать ионы тяжелых металлов: свинца (Рb), мышьяка (As) и серебра (Ag).

Ферментативные реакции происходят в виде ряда (до нескольких десятков) последовательных этапов. Цепи взаимосвязанных ферментативных реакций обеспечивают обмен веществ и превращение энергии в отдельных клетках и организме в целом.

Ферменты располагаются в определенных местах как в пределах отдельной клетки, так и организме в целом. В клетке много ферментов связано с плазматической мембраной или мембранами отдельных органелл (митохондрий, пластид и др.).

Ключевые термины и понятия. Ферменты, биокатализ, кофактор.

Кратко о главном

• Разнообразные белковые молекулы в живых организмах осуществляют функции: строительную, или структурную, энергетическую, защитную, сигнальную, сократительную, или двигательную, резервную, транспортную, регуляторную, каталитическую.

Вопросы для самоконтроля

1. Каковы основные биологические функции белков? 2. В чем заключается защитная функция белков? 3. Чем определяется двигательная функция белков? 4. Что собой представляют ферменты? 5. Какие функции выполняют ферменты? 6. Благодаря чему ферменты способны осуществлять свои функции? 7. На каких свойствах белков основана способность организмов воспринимать раздражители? 8. Почему без участия ферментов ход большинства биохимических процессов в клетке был бы невозможен?

Подумайте

В результате ферментативных реакций, в отличие от безферментных, не образуются побочные продукты, то есть происходит почти 100 %-й выход конечного продукта. Какое это имеет значение для нормального функционирования организма?