Цель урока: рассмотреть функции белков, актуализировать и интегрировать материал разных разделов курса биологии (молекулярной биологии, биохимии, цитологии, физиологии и др.) и использовать его при изучении этой темы.
Материалы и оборудование: таблицы, рисунки, плакаты, микрофотографии.
Все многообразие живой природы связано с многообразием белков. Чем дальше родство между организмами, тем больше отличий в их белках и наоборот. Даже особи одного вида и одной популяции отличаются по некоторым белкам. Белки чрезвычайно разнообразны, столь же многообразны и важны их функции в живых организмах. Рассмотрим основные функции белков.
Рис. 1. Биологические функции белков
Структурная функция. Белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки. Мембраны состоят из липидов и трех типов белков: поверхностных, погруженных и пронизывающих. (Рис. 2.) Погруженные белки часто являются ферментами, и участвуют в цепи реакций, располагаясь в определенном порядке, тогда как поверхностные белки удерживают их. Пронизывающие белки образуют каналы, по которым вещества перемещаются через мембрану клетки.
Рис. 2. Схема строения плазматической мембраны
Белки входят в состав как мембранных, так и немембранных органоидов в цитоплазме. Они находятся и в ядре, где включаются в состав рибосом и хромосом. К белкам относятся также коллаген, кератин.
Ферментативная функция. Ферменты – биологические катализаторы, ускоряют протекание биохимических реакций в клетке в сотни миллионов раз. Они обеспечивают высокую скорость протекания реакций при относительно невысоких температурах. Все ферменты – белки. В настоящее время известно более 2 тысяч ферментов. Они высокоспецифичны, т.е. каждый фермент ускоряет протекание одной или нескольких реакций одного типа. Ферменты катализируют различные реакции катаболизма и анаболизма, репликации и репарации ДНК, матричного синтеза РНК. Фермент имеет белковую часть (апофермент) и небелковую (кофермент). В молекуле имеется также активный центр с конфигурацией, комплементарной конфигурации субстрата (субстрат – вещество, которое связывается с данным ферментом), т.е. субстрат и фермент подходят друг к другу «как ключ к замку». При связывании фермента с субстратом образуется фермент-субстратный комплекс (рис.3.), затем изменяется конфигурация фермента и это обеспечивает протекание реакции.
Рис. 3. Схема образования комплекса «фермент-субстрат»
После завершения реакции конечные продукты реакции покидают фермент и освободившийся активный центр может связываться с новыми порциями субстрата, количество фермента при этом не меняется. Ферменты имеют в своем названии суффикс –аза, например: лактаза, полимераза.
Транспортная функция. Многие белки транспортируют вещества и газы к клеткам. В крови гемоглобин осуществляет транспорт кислорода к клеткам и углекислого газа к легким. В мышцах эту функцию выполняет миоглобин. Альбумины крови транспортируют биологически важные малые молекулы, в частности, молекулы лекарственных веществ.
Некоторые мембранные белки выполняют транспортную функцию. Одни из них образуют каналы через которые могут перемещаться ионы (например, натриевые, калиевые каналы), вода, другие молекулы Другие – белки-переносчики - связывают молекулы и переносят их через мембрану непосредственно. Фермент АТФ-синтетаза, катализирующая синтез АТФ, встроенная в мембраны митохондрий, хлоропластов, также может быть отнесена к транспортным белкам, т.к. она образует протонные каналы.
Сократительная функция. Белки актин и миозин входят в состав мышечной ткани, обеспечивая ее сократительную функцию. Реснички и жгутики – органоиды клетки, участвующие в ее движении, имеют сходное строение и отличаются только длиной. В их основе лежат микротрубочки - полые цилиндры с внешним диаметром 25 нм, представленные глобулярным белком тубулином. Они удлиняются только с одного конца за счет полимеризации этого белка. Сходный принцип работы у микрофиламентов - белковых нитей актина, которые, удлиняясь с одного конца и укорачиваясь с другого, обеспечивают внутриклеточное движение структур. Подобное строение имеют центриоли – органоиды, образующие веретено деления, обеспечивающие передвижение хромосом при делении клетки (Рис. 4.) Центриоль представляет полый цилиндр, стенки которого состоят из 9 триплетов нитей белка тубулина..
Рис. 4. Схема строения (А) и электронная микрофотография (Б) центриоли
Защитная функция. Можно выделить несколько защитных функций белков.
1
.Физическая защита. Она связана с коллагеном – белком, который составляет основу межклеточного вещества соединительных тканей (дермы, хряща, сухожилий), кератином – белком, который входит в состав перьев, волос, рогов, роговых щитков и т.д. Такие белки крови как фибриноген, тромбин участвуют в свертывании крови.
2
Рис. 5. Рыхлая соединительная ткань: 1 – фибробласты; 2 – коллагеновые волокна; 3 – эластические волокна
. Химическая защита – детоксицирующая функция. Некоторые белки, связываясь с токсинами, нейтрализуют их, а в печени многие вредные и ядовитые вещества, с помощью ее ферментов, переводятся в водорастворимую форму и выводятся через почки.
3.Иммунная защита. При попадании в организм чужеродных структур (бактерий, вирусов, чужой ДНК и др.) называемых антигенами, в нем образуются антитела – белки иммуноглобулины, которые вырабатываются иммунной системой. Здесь, как и в некоторых рассмотренных ранее процессах, используется принцип комплементарности: после распознавания структуры антигена, синтезируется антитело, которое как ключ к замку подходит к антигену, что позволяет его связывать, т.е. нейтрализовать, а позже элиминировать. На этом основана вакцинация – введение в организм убитых или ослабленных возбудителей заболевания, которая стимулирует выработку антител. Значение ее состоит в том, что первичный иммунный ответ на введение антигена развивается через 3-4 недели, а при вторичном контакте – значительно быстрее и интенсивнее, что и обеспечивает эффективную защиту организма. (Рис. 6.). В распознавании антигенов и синтезе антител принимают участие Т-лимфоциты и В-лимфоциты.
Рис. 6. Динамика накопления антител при первичной и вторичной встрече с антигеном
В арсенал противовирусной защиты животных и человека входят белки интерфероны, которые синтезируются после встречи с вирусной нуклеиновой кислотой и опосредованно включают фермент расщепляющий ее, а также включают синтез фермента, блокирующего синтез вирусных белков. Растения также имеют механизм защиты от патогенных бактерий. Это ферменты, которые стимулируют синтез соединений, разрушающих покровы бактерий, и способствующих синтезу веществ, укрепляющих прочность покровов растений.
Регуляторная функция. Ряд гормонов имеют белковую природу и участвуют в процессах обмена веществ, роста, развития организма. Это все гормоны гипоталамической части мозга и гипофиза, поджелудочной железы.
Рассмотрим некоторые гормоны передней доли гипофиза, которые имеют пептидную природу. АКТГ (адренокортикотропный гормон) контролирует синтез гормона надпочечников, гидрокортизона. Он представляет собой пептид, содержащий 39 аминокислот. СТГ (соматотропный гормон или гормон роста) контролирует рост ребенка и активирует белковый синтез. Его полипептидная цепь состоит из 187 аминокислот. ЛГГ (лактогенный гормон) управляет развитием молочной железы и секрецией молока. ТТГ (тиреотропный гормон) регулирует работу щитовидной железы.
Либерины и статины гипоталамуса контролируют секрецию и выход в кровь гормонов гипофиза. Именно через гипофиз и гипоталамус осуществляется связь нервной и эндокринной систем.
Поджелудочная железа секретирует два гормона, играющих важную роль в метаболизме углеводов. Инсулин способствует использованию клеткой глюкозы и глюкагон, который контролирует образование и расходование углеводных резервов, превращая глюкозу в гликоген.
Успехи биотехнологии и генной инженерии привели к тому, что многие гормоны синтезируются в значительных количествах и используются как важные лекарственные средства. Это относится, в частности, к соматотропину, использование которого предотвращает задержку роста у детей из-за нарушения функции гипофиза. Синтез инсулина привел к более качественному лечению больных диабетом. Известно, что при этом заболевании, из-за недостатка выработки инсулина, глюкоза плохо поступает из крови в клетки и они голодают, тогда как в крови ее концентрация высокая.
Все гормоны, как правило, проявляют свое действие на организм, изменяя активность ферментов, например, через фосфорилирование (присоединение фосфатных групп). При этом имеет место конформация (изменение третичной структуры белка) и изменение активности белка. Т.о., гормоны, влияя на скорость ферментативных реакций, регулируют физиологические процессы в организме.
Часто эту функцию объединяют с сигнальной. Так, действие гормона, переносимого кровью, основано на контакте его рецепторов с клетками-мишенями (чувствительными к нему), что является сигналом для клетки и вызывает ее ответную реакцию. Клетки взаимодействуют друг с другом с помощью сигнальных белков, передаваемых через межклеточное вещество. Например, белки цитокины, факторы роста – регулируют рост, дифференцировку, выживаемость, апоптоз и другие процессы в клетках.
Энергетическая функция. При полном расщеплении 1г белка выделяется 17,6 кдж энергии, столько же, как и при полном расщеплении такого же количества углеводов. Но с этой целью белки используются чрезвычайно редко, тогда как исчерпаются запасы углеводов и липидов, т.к. белки очень ценные для организма вещества и идут на удовлетворение многих других потребностей организма.
Рецепторная функция (распознавательная). Белки, располагаясь на наружной стороне мембраны животной клетки, вместе с углеводами образуют гликокаликс – структуру, которая распознает сигналы из окружающей среды и передает их через мембрану внутрь клетки. Белковые рецепторы могут находится в цитоплазме или мембране. Сигнал (свет, растяжение и т.д.), действуя на молекулу, приводит к ее конформационным изменениям, что производит конформацию следующей молекулы – и т.о. передачу сигнала. Результатом этого может быть, например, ускорение или замедление протекания реакции, открытие или закрытие мембранных каналов.
Рассмотрев основные функции белков в клетке можно сделать вывод, что они не только многочисленные, но некоторые из них уникальны, т.е. присущи только белкам, как, например, ферментативная, сократительная, транспортная.
Для закрепления материала данного урока проведем тестирование.
Задания А. Выбрать один правильный ответ из нескольких предложенных:
1. Какую функцию не выполняют мембранные белки: а) запасающую б) ферментативную в) транспортную г) структурную (а)
2. При каком взаимодействии отсутствует комплементарность: а) соединение двух молекул ДНК б) фермент-субстрат в) аминокислоты в белке г) антитело-антиген (в)
3. С какой частью фермента связывается субстрат: а) с апоферментом б) с коферментом в) с любой г) с активным центром (г)
4. Как меняется количество фермента в процессе реакции: а) не меняется б) уменьшается в) не меняется, но уменьшается его активность
г) уменьшается количество и активность (а)
5. Какой белок транспортирует газы в мышцах: а) миоглобин б) гемоглобин в) инсулин г) АТФ-аза (а)
6. Какие белки не выполняют сократительную функцию: а) актин б) кератин в) миозин г) тубулин (б)
7. Какой белок входит в состав межклеточного вещества соединительной ткани: а) гемоглобин б) коллаген в) тубулин г) никакой (б)
8. В чем состоит функция белков-антител: а) разрушают антигены б) повреждают антигены в) связывают антигены г) не взаимодействуют с ними (в)
9. Интерферон в организме выполняет функцию: а) защитную б) транспортную в) двигательную г) структурную (а)
10. Суть регуляторной функции в организме состоит во: а) влиянии на обмен веществ б) влиянии на активность ферментов в) влиянии на передачу сигнала г) все верно (г)
11. В организме обычно энергетическую функцию выполняют: а) белки б) нуклеиновые кислоты в) липиды г) все верно (в)
Задания В. Выбрать три верных ответа из шести предложенных:
-
Выбрать функции, свойственные только белкам: (3,4,6)
1)запасающая, 2)теплорегулирующая, 3)ферментативная, 4)транспортная, 5) энергетическая, 6)сократительная
2. Назвать белки ферменты: (3,4,6)
1) тубулин 2) гемоглобин 3) АТФ-аза 4) РНК-полимераза 5) инсулин 6) мальтаза
3. Выбрать белки гормоны: (2,4,6)
1) гемоглобин 2)глюкагон 3) миозин 4) инсулин 5) актин 6) соматотропин
4. Соотнести белки, выполняемой ими функции: (1Б2В3Д4А5Г)
Белки: 1) миоглобин 2) глюкагон 3) тубулин 4) мальтаза 5) коллаген
Функции: А) ферментативная Б) транспортная В) регуляторная Г) защитная Д) сократительная
Задания С. Ответить на вопросы в развернутой форме.
1. Какие функции выполняют мембранные белки (ферментативную, механическую, транспортную)
2. Что такое комплементарное взаимодействие. Привести примеры (взаимодействие при котором одна структура по строению дополняет другую или подходит к ней как «ключ к замку»; антитело-антиген, фермент-субстрат, две нити ДНК).
3.Описать механизм передвижения на примере белка тубулина в центриоли клеточного центра (центриоль состоит из полого цилиндра, стенки которого состоят из нитей белка тубулина, движение происходит за счет того, что нити достраиваются с одной стороны и укорачиваются с другой).
4.Каков механизм действия гормонов (гормоны действуют на клетки-мишени, клетки чувствительные к ним, с помощью рецепторов, это приводит к изменению активности ферментов , обмена веществ и других процессов).