Эмульсоидами являются белки витамины металлы

Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека

библиографическое описание:
Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека / Зинина О.Т. // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2001. — №4. — С. 99-105.

код для вставки на форум:

Одними из наиболее вредных для биосферы Земли загрязнений, имеющих самые разнообразные вредные последствия, как для здоровья людей, так и для жизнедеятельности живых организмов, являются загрязнения тяжелым и металлами. Наряду с пестицидами, диоксинами, нефтепродуктами, фенолами, фосфатами и нитратами тяжелые металлы ставят под угрозу саму существование цивилизации. Увеличивающийся масштаб загрязнений окружающей среды оборачивается ростом генетических мутаций, раковых, сердечно-сосудистых и профессиональных заболеваний, отравлений, дерматозов, снижением иммунитета и связанных с этим болезней. В подавляющем большинстве случаев первоисточником загрязнений является экологически безграмотная деятельность человека. Среди опасных для здоровья веществ тяжелые металлы и их соединения занимают особое место, та к как являются постоянными спутниками в жизни человека.

Очень часто многоэлементный анализ используют в медицине при выяснении причин острых и хронических отравлений, а так же при лечении профессиональных болезней, связанных с хроническим воздействием тяжелых металлов на организм в условиях реального производства и экологических особенностей.

В химико-токсикологическом анализе применяется метод минерализации при исследовании биологического материала (органов трупов, биологических жидкостей, растений, пищевых продуктов и др.) на наличие та к называемых «металлических ядов». Эти яды в виде солей, оксидов и других соединений в большинстве случаев поступают в организм через пищевой канал, в соответствующих отделах которого они всасываются в кровь и вызывают отравления.

Важнейшим и «металлическими ядами » являются соединения бария, висмута, кадмия, марганца, меди, ртути, свинца, серебра, таллия, хрома, цинка и соединения некоторых неметаллов (мышьяка, сурьмы). Ряд перечисленных выше химических элементов, соединения которых являются токсичными. В небольших количествах содержатся в тканях организма как нормальная их составная часть, В виду незначительных количеств этих химических элементов. Содержащихся в организме, их называют микроэлементами.

Установлены предельно-допустимые концентрации микроэлементов в организме.

Амплитуда содержания того или иного элемента у разных организмов может значительно выходить за пределы указанных концентраций. Фактор концентрации имеет определяющий характер для оценки физиологического действия элемента. Уже почти 85 лет известно, что:

Каждый элемент имеет присущий ему диапазон безопасной экспозиции, который поддерживает оптимальные тканевые концентрации и функции;
У каждого элемента имеется свой токсический диапазон, когда безопасная степень его экспозиции превышена [Mertz, 1982].

Правила Мертца особенно важны для токсикологической химии. Металлы с малыми значениями диапазона концентраций условно отнесены в разные группы по «степени опасности» (чем меньше диапазон, тем «опаснее»):

As, Be, Cd, Hg, Pb, Tl, Zn;
B, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Sb, Sc;
Ba, Mn, Sr, V, W.

Общепризнанно, что наиболее опасными элементами для человека, да и вообще для теплокровных животных, являются кадмий, ртуть и свинец (Cd, Hg, Pb).

Кадмий вызывает отравление, описанное в Японии как болезнь «итаи-итаи» (ох-ох). Название болезни происходит от боли в спине и ногах, сопровождающей остеомаляцию (декальцификацию) костей, что приводит к ломкости костей. Хроническое отравление кадмием разрушает печень и почки, приводя к сильнейшему нарушению функции почек. Избыток кадмия нарушает метаболизм металлов, особенно железа и кальция, нарушает действие цинковых и иных металло-ферментов, блокирует сульфгидрильные группы ферментов, нарушает синтез ДНК. Кадмий легко замещает металлфлавопротеиновых комплексах, где главенствующую роль играют железо и молибден, нарушая двухстадийный процесс окисления.

Ртуть токсична в любой своей форме. Ртуть в природных условиях довольно быстро превращается в летучее токсическое соединение — хлорид метилртути. В организме ионы метилртути быстро попадают в эритроциты, печень и почки, оседают в мозге, вызывая серьезные необратимые кумулятивные нарушения ЦНС. Это приводит, к конце концов, к общему и церебральному параличу, деформации конечностей, особенно пальцев, затрудненному глотанию, конвульсиям и смерти. Ртуть блокирует активность ряда важнейших ферментов, в частности карбоангидразы, карбоксипептидазы, щелочной фосфатазы. Легко замещает кобальт в корриноидах, извращая метаболические реакции, связанные с витамином В12. Повреждение механизма биосинтеза ДНК из-за недостаточности витамина В12 является причиной мегалобластических анемий и наиболее распространенной формы — пернициозной анемии, что приводит к дегенеративным изменениям нервной системы.

Свинец известен как токсическое вещество почти 5 тысяч лет среди греческих и арабских ученых. В современных условиях наибольшим источником загрязнения свинцом среды обитания считаются выхлопы бензиновых двигателей автомашин, поскольку в бензин добавляется тетраэтилсвинец для повышения октанового числа. Свинец препятствует одной из ступеней биосинтеза гема, считается сильнейшим нейротоксином, вызывает повышенную агрессивность. Хроническое отравление свинцом постепенно приводит к нарушениям функций почек, нервной системы, анемии. Токсичность свинца увеличивается при недостатке в организме кальция и железа. Свинец блокирует SH-группы белков, образуя комплексы с фосфатными группами рибозы у нуклеотидов, особенно у цитидина, и тем самым быстро разрушает РНК, ингибирует ферменты, в частности карбоксипептидазу.

Мышьяк относится к числу наиболее сильных и опасных ядов. В присутствии кислорода быстро образует очень ядовитый мышьяковистый ангидрид. При пероральном отравлении высокая концентрация мышьяка наблюдается в желудке, кишечнике, печени, почках и поджелудочной железе, при хроническом отравлении постепенно накапливается в коже, волосах и ногтях. Из-за ингибирования различных ферментов нарушает метаболизм. В процессе отравления первыми страдают аксоны, что приводит к периферической нейропатии и параличу конечностей. Мышьяк считается канцерогенным для человека.

Таллий очень токсичен, зачастую его называют «химическим СПИДом». Таллий, проникая через клеточные мембраны, образует сильные комплексы, например, нерастворимый комплекс с рибофлавином. Это приводит к нарушению метаболизма серы и разрушению иммунной системы. Отравление таллием приводит к гастроэнтеритам, периферической нефропатии, при большой абсорбции к смерти. Через 2-3 недели после небольшого отравления у человека выпадают волосы.

Цинк в виде двухвалентного элемента входит в состав свыше 20 ферментов, включая участвующие в обмене НК. Большая часть цинка в теле человека находится в мышцах, а самая высокая концентрация — в простате. В крови он присутствует в эритроцитах как кофактор в карбоангидразе. Избыток цинка может разбалансировать метаболические равновесия других металлов. Разбалансировка отношения цинк/медь является главным причинным фактором в развитии ишемической болезни сердца. Избыточное потребление солей цинка может приводить к острым кишечным отравлениям с тошнотой. В общем, цинк не очень опасен, а возможность отравления, вероятнее всего зависит от совместного присутствия токсичного кадмия.

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав цитохромоксидазы, тироназы и других белков. Их биологическая роль связана с процессами гидроксилирования, переноса кислорода, электронов и окислительного катализа. В тканях здорового организма концентрация меди в течение всей жизн и поддерживается строго постоянной. В норме существует система, препятствующая непрерывному накоплению мед и в тканях путем ограничения ее абсорбции ил и стимуляции ее выведения. Хронический избыток меди в тканях При соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз : ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга. Около 95 % меди в организме присутствует в составе гликопротеина крови церулоплазмина. Известен факт недостатка этого белка При болезни Вильсона-Коновалова — врожденном дефиците метаболизма (гепатолентикулярная дегенерация). Из-за генетического дефекта в синтезе церулоплазмина его содержание в крови резко снижено. В результате медь не связывается в комплекс с нормальной для организма константой устойчивости. Это приводит к недостатк у мед и в цеп и реакций метаболизма, приводящей к естественному для здорового организма синтез у соединительной ткани. Для осуществления нормального процесса сшивки мономеров эластина и коллагена не хватает активной Си-лизолоксидазы. С другой стороны «освободившиеся» ионы меди, лишившись по сути единственного нормального потребителя, откладываются в специфических тканях (печень, ядра мозга, почки, эндокринные железы, радужная оболочка глаз), где оказывают прямой токсический эффект. Создается парадоксальная ситуация избытка меди в специфических тканях при ее недостатке в нормальной цепи метаболизма.

Хром один из наименее токсичных элементов. При острых отравлениях накапливается во внутренних органах. Считается, что трехвалентный хром в виде комплекса с никотиновой кислотой и алифатическим и аминокислотам и работает в организме в качестве «фактора толерантности к глюкозе». Его действие заключается в усилении гипогликемического действия инсулина. В обычных условиях отрицательным является недостаток хрома в организме.

Сурьма — менее токсичный элемент, чем мышьяк. При отравлении накапливается в скелете, почках, селезенке.

Барий в виде двухвалентного катиона ядовит из-за его антагонизма с калием (но не с кальцием). У обоих ионные радиусы подобны. Барий является мускульным ядом. Абсорбированный барий откладывается в костях и в пигментной оболочке глаз.

Марганец — элемент почти нетоксичен, особенно в виде двухвалентного иона. В виде перманганат-иона токсичен из-за окислительной способности. Отравление происходит в случае вдыхания оксида в промышленном производстве.

Серебро. Элемент накапливается в печени и в меньших количествах, но равномерно, в остальных органах и тканях. Отложения серебра отмечено в клубочках почек и в субэпителиальных слоях кож и («аргироз» — голубоватое окрашивание кожи).

При различных патологиях имеет место изменение содержания микроэлементов в организме. Исследование сыворотки больных острым вирусным гепатитом, а также при постгепатитном циррозе показало, что у пациентов с острым гепатитом концентрация цинка почти не менялась, концентрация кадмия значительно увеличивалась. Концентрация меди и марганца незначительно уменьшалась. При хроническом гепатите и постгепатитном циррозе содержание меди и цинка в сыворотке уменьшалось, а кадмия увеличивалось. Содержание марганца почти не менялось. Выделение с мочой меди, превышающее 115 мкг/сутки и сопровождаемое низким содержанием в крови, свидетельствует о синдроме системного заболевания, например, болезни Вильсона-Коновалова. Повышенное содержание в крови и моче алюминия, особенно у пожилых людей, может сопровождать энцефалопатию, болезнь Альцгеймера и другие формы слабоумия, а при почечной недостаточности также остеомаляцию и микроцитарную гипохромную анемию. Повышенное содержание в крови и моче лития характерно для больных с патологией мочевыделительной системы, нефропатиями.

Повышенное относительно ПДК содержание в биологических жидкостях отдельных тяжелых металлов может свидетельствовать о хроническом воздействии токсикантов на организм и перенапряжении работы почек и печени. Это требует мер по очистке организма от избытка тяжелых металлов, например, с помощью препаратов с полианионами (морская капуста) в незапущенных случаях.

Повышенное содержание в крови и моче наиболее токсичных тяжелых металлов (кадмия, ртути, свинца) требует энергичных мер по их выведению, поскольку их избыток разрушает нервную, сердечно-сосудистую и иммунную системы.

Повышенное содержание в крови и моче таллия и селена может пролить свет на причины облысения и плохое самочувствие таких больных.

Повышенное содержание в организме бора должно привлечь внимание к тяжелым металлам, содержание которых не превышает ПДК, т.к. он оказывает синергистское (усиливающее) влияние на их токсические свойства.

Токсичность «металлических ядов» объясняется связыванием их с соответствующими функциональными группами белковых и других жизненно важных соединений в организме. В результате нарушаются нормальные функции соответствующих клеток и тканей в организме, и наступает отравление, которое в ряде случае в заканчивается смертью.

БЕЛКИ

Белки (синоним протеины) — высокомолекулярные азотистые органические соединения, являющиеся полимерами аминокислот. Белки — основная и необходимая составная часть всех организмов.

Сухое вещество большинства органов и тканей человека и животных, а также большая часть микроорганизмов состоят главным образом из белков. Белковые вещества лежат в основе важнейших процессов жизнедеятельности. Так, например, процессы обмена веществ (пищеварение, дыхание, выделение и др.) обеспечиваются деятельностью ферментов (см.), являющихся по своей природе белками. К белкам относятся и сократительные структуры, лежащие в основе движения, напр, сократительный белок мышц (актомиозин), опорные ткани организма (коллаген костей, хрящей, сухожилий), покровы организма (кожа, волосы, ногти и т. п.), состоящие главным образом из коллагенов, эластинов, кератинов, а также токсины, антигены и антитела, многие гормоны и другие биологически важные вещества.

Роль белков в живом организме подчеркивается уже самим их названием «протеины» (греческий protos первый, первичный), предложенным Мульдером (G. J. Mulder, 1838), который обнаружил, что в тканях животных и растений содержатся вещества, напоминающие по своим свойствам яичный белок. Постепенно было установлено, что белки представляют собой обширный класс разнообразных веществ, построенных по одинаковому плану. Отмечая первостепенное значение белков для процессов жизнедеятельности, Энгельс определил, что жизнь есть способ существовании белковых тел, заключающийся в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел.

Содержание

Химический состав и структура белков

Белки содержат в среднем около 16% азота. При полном гидролизе белки распадаются с присоединением воды до аминокислот (см.). Молекулы белков представляют собой полимеры, которые состоят из остатков около 20 различных аминокислот, относящихся к природному L-ряду, то есть имеющих одинаковую конфигурацию альфа-углеродного атома, хотя их оптическое вращение может быть неодинаковым и не всегда направленным в одну сторону. Аминокислотный состав разных белков неодинаков и служит важнейшей характеристикой каждого белка, а также критерием его ценности в питании (см. раздел Белки в питании). Некоторые белки могут быть лишены тех или иных аминокислот. Например, белки кукурузы— зеин не содержит лизина и триптофана. Другие белки, напротив, очень богаты отдельными аминокислотами. Так, протамин лосося — сальмин содержит свыше 80% аргинина, фиброин шелка — около 40% глицина (аминокислотный состав некоторых белков представлен в табл. 1).

Таблица 1. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ НЕКОТОРЫХ БЕЛКОВ (в весовых процентах аминокислот белка)

Альбумин сыворотки быка

При неполном (обычно ферментативном) гидролизе белков, помимо свободных аминокислот, образуется ряд веществ с относительно небольшими молекулярными весами, называемых пептидами (см.) и полипептидами. В белках и пептидах аминокислотные остатки соединены между собой так называемой пептидной (кислотно-амидной) связью, образуемой карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты:

В зависимости от числа аминокислот такие соединения называют ди-, три-, тетрапептидами и т. д., например:

Длинные пептидные цепи (полипептиды), состоящие из десятков и сотен аминокислотных остатков, образуют основу структуры белковой молекулы. Многие белки состоят из одной полипептидной цепи, в других белках имеется две или более полипептидных цепей, соединенных между собой и образующих более сложную структуру. Длинные полипептидные цепи одинакового аминокислотного состава могут давать огромное число изомеров за счет различной последовательности отдельных аминокислотных остатков (подобно тому как из 20 букв алфавита можно составить множество различных слов и их сочетаний). Поскольку различные аминокислоты могут входить в состав полипептидов в разных соотношениях, число возможных изомеров становится практически бесконечным, и для каждого индивидуального белка последовательность аминокислот в полипептидных цепях является характерной и уникальной. Эта последовательность аминокислот определяет первичную структуру белка, которая в свою очередь определяется соответствующей последовательностью дезоксирибонуклеотидов в структурных генах ДНК данного организма. К настоящему времени изучена первичная структура многих белков, главным образом белковых гормонов, ферментов и некоторых других биологически активных белков. Последовательность аминокислот определяют путем ферментативного гидролиза беков и получения так называемых пептидных карт при помощи двухмерной хроматографии (см.) и электрофореза (см.). Каждый пептид исследуется на концевые аминокислоты до и после обработки аминополипептидазой — специфическим ферментом, последовательно отщепляющим аминоконцевые (N-концевые) аминокислоты, и карбоксиполипептидазой, отщепляющей карбоксиконцевые (С-концевые) аминокислоты. Для определения N-концевых аминокислот применяют реактивы, соединяющиеся со свободной аминогруппой концевой аминокислоты. Обычно используют динитрофторбензол (1-фтор-2,4-динитробензол), дающий динитрофенильное производное с N-концевой аминокислотой, которое затем может быть идентифицировано после гидролиза и хроматографического разделения гидролизата. Наряду с динитрофторбензолом, предложенным Сангером (F. Sanger), применяется также обработка фенилизотиоцианатом по Эдману (P. Edman). При этом с концевой аминокислотой образуется фенилтиогидантоин, который легко отщепляется от полипептидной цепи и может быть идентифицирован. Для определения С-концевых аминокислот применяют нагревание пептида в уксусном ангидриде с тиоцианатом аммония. В результате конденсации получается кольцо тиогидантоина, включающее радикал концевой аминокислоты, который затем легко отщепить от пептида и установить характер С-концевой аминокислоты. Последовательность аминокислот в белке устанавливают на основании последовательности пептидов, полученных с применением разных ферментов и с учетом специфичности каждого фермента, расщепляющего белок по пептидной связи, образованной определенной аминокислотой. Таким образом, определение первичной структуры белка представляет собой весьма кропотливую и длительную работу. Нашли успешное применение различные методы прямого определения последовательности аминокислот при помощи рентгеноструктурного анализа (см.) или путем масс-спектрометрии (см.) производных пептидов, получаемых при гидролизе белка разными ферментами.

Пространственно полипептидные цепи часто образуют спиральные конфигурации, удерживаемые при помощи водородных связей и образующие вторичную структуру белка. Чаще всего встречается так называемая а-спираль, в которой на один виток приходится 3,7 аминокислотных остатков.

Отдельные аминокислотные остатки в одной и той же или в разных полипептидных цепях могут быть соединены между собой при помощи дисульфидных или эфирных связей. Так, в молекуле мономера инсулина (рис. 1) дисульфидными связями соединены между собой 6 и 11-й остатки цистеина А-цепи и 7 и 20-й остатки цистеина А-цепи соответственно с 7 и 19-м остатками цистеина В-цепи. Такие связи придают полипептидной цепи, имеющей обычно спирализованные и неспирализованные участки, определенную конформацию, называемую третичной структурой белка.

Под четвертичной структурой белка подразумевают образование комплексов из мономерных белковых молекул. Так, например, молекула гемоглобина состоит из четырех мономеров (двух альфа-цепей и двух бета-цепей). Четвертичная структура фермента лактатдегидрогеназы представляет собой тетрамер, состоящий из 4 мономерных молекул. Эти мономеры бывают двух типов: Н, характерный для сердечной мышцы, и М, характерный для скелетных мышц. Соответственно встречается 5 разных изоферментов лактатдегидрогеназы, представляющих собой тетрамеры из разных сочетаний этих двух мономеров — НННН, НННМ, ННММ, НМММ и ММММ. Структура белка определяет его биологические свойства, и даже небольшое нарушение конформации может весьма существенно отразиться на ферментативной активности или других биологических свойствах белка. Тем не менее наиболее важное значение имеет первичная структура белка, определяемая генетически и в свою очередь часто определяющая высшие структуры данного белка. Замена даже одного аминокислотного остатка в полипептидной цепи, состоящей из сотен аминокислот, может весьма существенно изменить свойства данного белка и даже полностью лишить его биологической активности. Так, например, гемоглобин, встречающийся в эритроцитах при серповидноклеточной анемии, отличается от нормального гемоглобина А лишь заменой остатка глутаминовой кислоты в 6-м положении р-цепи на остаток валина, то есть заменой лишь одной из 287 аминокислот. Однако этой замены достаточно для того, чтобы измененный гемоглобин обладал резко нарушенной растворимостью и в значительной мере утратил свою основную функцию переноса кислорода к тканям. С другой стороны, в строго определенной структуре инсулина (рис. 1) характер аминокислотных остатков в 8, 9 и 10-м положениях цепи А (между двумя остатками цистеина), по-видимому, не имеет существенного значения, поскольку эти три остатка обладают видовой специфичностью; в инсулине быка они представлены последовательностью ала-сер-вал, у овцы — ала-гли-вал, у лошади — тре-гли-иле, а в инсулине человека, свиньи и кита — тре-сер-иле.

Физико-химические свойства

Молекулярный вес большинства белков составляет от 10—15 тысяч до 100 тысяч, однако имеются белки с молекулярным весом 5—10 тысяч и несколько миллионов. Условно полипептиды с молекулярным весом ниже 5 тысяч относят к пептидам. Большинство белковых жидкостей и тканей организма (например, белки крови, яиц и др.) растворимы в воде или в растворах солей. Белки обычно дают опалесцирующие растворы, которые ведут себя как коллоидные. Имея в своем составе много гидрофильных групп, белки легко связывают молекулы воды и находятся в тканях в гидратированном состоянии, образуя растворы или гели. Многие белки богаты гидрофобными остатками и нерастворимы в обычных растворителях белков. Такие белки (например, коллаген и эластин соединительной ткани, фиброин шелка, кератины волос и ногтей) имеют фибриллярный характер, и их молекулы вытянуты в длинные волокна. Растворимые белки обычно представлены молекулами клубкообразной, глобулярной, формы. Однако разделение белков па глобулярные и фибриллярные не абсолютно, поскольку некоторые белки (например, актин мышц) способны обратимо превращаться из глобулярной конфигурации в фибриллярную в зависимости от условий среды.

Подобно аминокислотам белки являются типичными амфотерными электролитами (см. Амфолиты), то есть меняют свой электрический заряд в зависимости от pH среды. В электрическом поле белки движутся к аноду или к катоду в зависимости от знака электрического заряда молекулы, который определяется как свойствами данного белка, так и pH среды. Это движение в электрическом поле, называемое электрофорезом, применяют для аналитического и препаративного разделения белка, как правило различающихся по своей электрофоретической подвижности. При определенном pH, называемом изоэлектрической точкой (см.), неодинаковом для разных белков, число положительных и отрицательных зарядов молекулы равно друг другу, и молекула в целом электронейтральна и не движется в электрическом поле. Это свойство белка используется для их выделения и очистки методом изоэлектрической фокусировки, заключающемся в электрофорезе белка в градиенте pH, создаваемом системой буферных растворов. При этом можно подобрать такое значение pH, при котором нужный белок выпадает в осадок (поскольку растворимость белка в изоэлектрической точке наименьшая), а большинство «загрязняющих» белков останется в растворе.

Помимо pH, растворимость белков существенно зависит от присутствии и концентрации солей в растворе. Высокие концентрации солей одновалентных катионов (чаще всего применяют сернокислый аммоний) осаждают большинство белков. Механизм такого осаждения (высаливания) заключается в связывании ионами солей воды, образующей гидратную оболочку белковых молекул. Вследствие дегидратации растворимость белков понижается и они выпадают в осадок. Таков же механизм осаждения белков спиртами и ацетоном. Осаждение белков высаливанием или органическими жидкостями, смешивающимися с водой, применяют для разделения и выделения белков с сохранением их природных (нативных) свойств. При определенных условиях осаждения белки можно получить в кристаллическом виде и хорошо очистить от других белков и небелковых примесей. Ряд процедур такого рода применяют для получения кристаллических препаратов многих ферментов или других белков. Нагревание растворов белков до высокой температуры, а также осаждение белка солями тяжелых металлов или концентрированными кислотами, особенно трихлоруксусной, сульфосалициловой, хлорной, приводит к коагуляции (свертыванию) белка и образованию нерастворимого осадка. При таких воздействиях лабильные молекулы белка денатурируют, теряют свои биологические свойства, в частности ферментативную активность, становятся нерастворимыми в исходном растворителе. При денатурации нарушается нативная конфигурация белковой молекулы, и полипептидные цепи образуют беспорядочные клубки.

При ультрацентрифугировании белки осаждаются в поле ускорения центробежной силы со скоростью, зависящей главным образом от размеров белковых частиц. Соответственно для определения молекулярных весов белков применяют определение констант седиментации в ультрацентрифуге, а также скорости диффузии белков, фильтрование их через молекулярные сита, определение электрофоретической подвижности при электрофорезе в специальных условиях и некоторые другие методы.

Методы обнаружения и определения белков

Качественные реакции на белках основаны на их физико-химических свойствах или на реакциях определенных химических групп в молекуле белка. Однако, поскольку в состав молекулы белка входит большое количество разнообразных химических группировок, реакционная способность белков очень велика и ни одна из качественных реакций на белки не является строго специфичной. Заключение о присутствии белка может быть сделано лишь на основании совокупности ряда реакций. При анализе биологических жидкостей, например мочи, где могут появляться лишь определенные белки и известно, какие вещества могут мешать реакции, бывает достаточно даже одной реакции для установления присутствия или отсутствия белков. Реакции на белки подразделяют на реакции осаждения и цветные реакции. К первым относится осаждение концентрированными кислотами, причем в клинической практике чаще всего применяют осаждение азотной кислотой. Характерной реакцией является также осаждение белков сульфо-салициловой или трихлоруксусной кислотами (последняя часто применяется не только для обнаружения белков, но и для освобождения жидкостей от белков). Присутствие белков может быть обнаружено также но свертыванию при кипячении в слабокислой среде, осаждением спиртом, ацетоном и рядом других реактивов. Из цветных реакций весьма характерна биуретовая реакция (см.) — фиолетовое окрашивание с ионами меди в щелочной среде. Эта реакция зависит от присутствия в белках пептидных связей, образующих с медью окрашенное комплексное соединение. Название биуретовой реакции происходит от продукта нагревания мочевины биурета (H₂N-CO-NH-CO-NH₂), являющегося простейшим соединением, дающим эту реакцию. Ксантопротеиновая реакция (см.) заключается в желтом окрашивании осадка белков при воздействии концентрированной азотной кислотой. Окрашивание появляется вследствие образования продуктов нитрования ароматических аминокислот, входящих в состав белковой молекулы. Реакция Миллона дает ярко-красное окрашивание с солями ртути и азотистой кислотой в кислой среде. На практике обычно используют азотную кислоту, которая всегда содержит небольшую примесь азотистой. Реакция специфична для фенольного радикала тирозина и поэтому получается только с белков, содержащими тирозин. Реакция Адамкевича обусловлена радикалом триптофана. Она дает фиолетовое окрашивание в концентрированной серной кислоте с уксусной к-той (см. Адамкевича реакция). Реакция получается при замене уксусной кислоты на различные альдегиды. При использовании уксусной кислоты реакция обусловлена глиоксиловой кислотой, содержащейся в уксусной как примесь. Количественно белки определяют обычно по белковому азоту, то есть по содержанию общего азота в осадке белков, отмытом от низкомолекулярных веществ, растворимых в осадителе. Азот в биохимических исследованиях и при клинических анализах обычно определяют методом Кьельдаля (см. Кьельдаля метод). Общее содержание белка в жидкостях часто определяют колориметрическими методами, в основе которых лежат разные модификации биуретовой реакции. Часто пользуются методом Лаури, в котором применяется реактив Фолина на тирозин в сочетании с биуретовой реакцией (см. Лаури метод).

Классификация белков

Из-за относительно больших размеров белковых молекул, сложности их строения и отсутствия достаточно точных данных о структуре большинства белков еще нет рациональной химической классификации белков. Существующая классификация в значительной мере условна и построена главным образом на основании физико-химических свойств белков, источников их получения, биологической активности и других, нередко случайных, признаков. Так, по физико-химическим свойствам белки делят на фибриллярные и глобулярные, на гидрофильные (растворимые) и гидрофобные (нерастворимые) и т. п. По источнику получения белки подразделяют на животные, растительные и бактериальные; на белки мышечные, нервной ткани, кровяной сыворотки и т. п.; по биологической активности — на белки-ферменты. белки-гормоны, структурные. Белки, сократительные белки, антитела и т. д. Следует, однако, иметь в виду, что из-за несовершенства самой классификации, а также вследствие исключительного многообразия белков многие из отдельных белков не могут быть отнесены ни к одной из описываемых здесь групп.

Все белки принято делить на простые, или протеины (собственно белки), и сложные, или протеиды (комплексы белков с небелковыми соединениями). Простые белки являются полимерами только аминокислот; сложные, помимо остатков аминокислот, содержат также небелковые, так называемые простетические группы.

Среди простых белков (протеинов) различают альбумины (см.), глобулины (см.) и ряд других белков.

Альбумины — легко растворимые глобулярные белки (например, альбумины сыворотки крови или яичного белка); растворяются в воде и солевых растворах с выпадением в осадок лишь при насыщении раствора сульфатом аммония.

Глобулины отличаются от альбуминов нерастворимостью в воде и выпадением в осадок при полунасыщении раствора сульфатом аммония. Глобулины обладают более высоким, чем альбумины, молекулярным весом и иногда содержат в своем составе углеводные группировки.

К протеинам относятся и растительные белки — проламины (см.), встречающиеся обычно совместно с глютелинами (см.) в семенах злаков (рожь, пшеница, ячмень и др.), образуя основную массу клейковины. Эти белки растворимы в 70—80% спирте и нерастворимы в воде; они богаты остатками пролина и глутаминовой кислоты. К проламинам относятся также глиадин пшеницы, зеин кукурузы, гордеин ячменя.

Склеропротеины (протеинонды, альбуминоиды) — структурные белки, нерастворимые в воде, в разведенных щелочах, кислотах и солевых растворах. К ним относятся фибриллярные белки главным образом животного происхождения, весьма устойчивые к перевариванию пищеварительными ферментами. Эти белки подразделяют на белки соединительной ткани: коллаген (см.) и эластин (см.); белки покровов — волос, ногтей и копыт, эпидермиса— кератины (см.), для которых характерно высокое содержание серы в виде остатка аминокислоты — цистина; белки коконов и других секретов шелкоотделительных желез насекомых (например, паутины) — фиброин (см.), состоящие более чем наполовину из остатков глицина и аланина.

Особую группу протеинов составляют протамины (см.) — сравнительно низкомолекулярные белки основного характера (в отличие от альбуминов, глобулинов и других тканевых белков, имеющих изоэлектрическую точку обычно в слабокислой среде). Протамины встречаются в сперме некоторых рыб и других животных и состоят более чем наполовину из диаминомонокарбоновых кислот. Так, протамины сельди — клупеин и лосося — сальмин содержат около 80% аргинина. Другие протамины содержат, помимо аргинина, также лизин или лизин и гистидин.

Гистоны (см.) — ядерные белки менее щелочного характера, так же как и протамины, обычно находятся в комплексе с дезоксирибонуклеиновыми кислотами (см.), имеют несколько более высокий молекулярный вес, содержат меньше, чем протамины, диаминомонокарбоновых кислот.

Сложные белки делят на ряд классов в зависимости от характера простетической группы. Нуклеопротеиды (см.) представляют собой комплексы белков с нуклеиновыми кислотами. Это высокомолекулярные, часто надмолекулярные образования, например хроматин (см.), рибосомы (см.), многие вирусы (см.), осуществляющие важнейшие жизненные функции, связанные с передачей наследственной информации, биосинтезом белков и регуляцией этих процессов.

Мукопротеиды (см.) содержат мукополисахариды кислого характера. К ним относятся группоспецифические вещества крови, муцины и мукоиды слизей, синовиальной жидкости.

Фосфопротеиды (см.) включают остатки фосфорной кислоты, обычно связанные сложноэфирной связью с остатком аминокислоты серина. Фосфопротеиды встречаются в клеточных ядрах, в молоке (см. Казеины), в яичном желтке.

Металлопротеиды (см.) — сложные белки, содержащие те или иные металлы или содержащие металлорганические (простетические) группы. К ним относятся многие ферменты, в особенности оксидоредуктазы.

В особую группу выделяют хромопротеиды (см.) — белки, содержащие окрашенные группировки. Многие из них содержат металлы, например гемоглобин (см.) или хлорофилл (см.) и другие пигменты (см.). Присутствие металла и хромопротеидах не обязательно (например, родопсин сетчатки глаза).

Липопротеиды (см.) — комплексы белков с разными липидами (см.) — широко распространены в составе биологических мембран. В сыворотке крови липопротеиды выполняют функции транспорта липидов в организме.

Биосинтез белков

Белки поступают в организм человека и животных с нищей и являются главным источником пищевого азота. В процессе пищеварения белки подвергаются гидролизу до аминокислот, в виде которых всасываются в кровь и подвергаются дальнейшим превращениям. Особую роль играют незаменимые аминокислоты, которые определяют пищевую ценность белков. Начиная с всасывания в кровь, обмен белков является, по существу, обменом аминокислот. Белковый обмен, или аминокислотный обмен, представляет собой основную часть азотистого обмена (см.).

Биосинтез белков протекает во всех клетках живых организмов и обеспечивает обновленце белков организма, процессы обмена веществ и их регуляцию, а также рост и дифференцировку органов и тканей. Белки синтезируются в тканях из свободных аминокислот при участии нуклеиновых кислот (см.). Процесс биосинтеза белков протекает с потреблением энергии, аккумулированной в виде АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты). При биосинтезе белков обеспечивается образование определенных белков строго специфической структуры, которая закодирована в структурных генах (цистронах) дезоксирибонуклеиновой кислоты, находящейся главным образом в хроматине ядер клеток (см. Генетический код). Информация, определяющая первичную структуру белков, передается на особый тип рибонуклеиновых кислот (РНК), называемых информационными, или матричными, РНК (мРНК), в виде комплементарной последовательности нуклеотидов. Этот процесс получил название транскрипции. мРНК соединяется с рибосомами (см.), представляющими собой рибонуклеопротеидные гранулы, более чем наполовину состоящие из особой рибосомной РНК (рРНК), синтезируемой также на специальных цистронах (генах) ДНК. Рибосомы состоят из двух субчастиц, на которые они способны обратимо диссоциировать при понижении концентрации ионов магния. Большая и малая субчастицы рибосом содержат но одной молекуле РНК с молекулярной массой соответственно около 1,7×10 6 и 0,7×10 6 и по нескольку десятков молекул белков. Соединившись с рибосомами, мРНК образует полирибосомы, или полисомы, на которых и происходит синтез полипептидных цепочек, образующих первичную структуру белков. Прежде чем соединиться с рибосомами аминокислоты активируются, затем соединяются с низкополимерными РНК-переносчиками, или транспортными РНК (тРНК) в виде комплексов, с которыми они и поступают в рибосомы. Общая схема биосинтеза белков представлена на рис. 2.

Активация аминокислот происходит при взаимодействии их с АТФ с образованием аминоациладенилата и освобождением пирофосфата: аминокислота + АТФ = аминоациладенилат + пирофосфат. Аминоациладенилат представляет собой смешанный ангидрид, образованный остатком фосфорной к-ты аденозинмонофосфата и карбоксильной группой аминокислоты, и является активированной формой аминокислоты. С аминоациладенилата остаток аминокислоты переносится на тРНК, специфичную для каждой аминокислоты, и в виде аминоацил-тРНК поступает в рибосомы. Образование аминоациладенилата и перенос аминокислотного остатка на тРНК катализируются одним и тем же ферментом (аминоациладенилатсинтетазой, или аминоацил-тРНК-синтетазой), строго специфичным для каждой аминокислоты и каждой тРНК. Все тРНК имеют сравнительно небольшой молекулярный вес (около 25 000) и содержат около 80 нуклеотидов. Они имеют крестообразную конфигурацию, напоминающую клеверный лист, причем нуклеотидная цепь образует двунитчатую структуру, удерживаемую комплементарными основаниями, и переходит в однонитчатую только в области петель. Начало нуклеотидной цепи, обычно представленное 5′-гуаниловым нуклеотидом, находится вблизи концевой, часто обменивающейся группировки из двух остатков цитидиловой кислоты и аденозина со свободной 3′-OH-группой, к которой и присоединяется остаток аминокислоты. На петле, находящейся у противоположного конца молекулы тРНК, имеется триплет оснований, комплементарный к триплету, кодирующему данную аминокислоту (кодону), и называемый антикодоном. Нуклеотидная последовательность многих тРНК уже установлена, известна и их полная структура.

Определенная последовательность аминокислот в первичной структуре синтезируемой полипептидной цепи обеспечивается информацией, записанной в последовательности нуклеотидов мРНК, отражающей соответствующую последовательность в цистронах ДНК. Каждая аминокислота кодируется определенными триплетами нуклеотидов мРНК. Эти триплеты (кодоны) представлены в табл. 2. Их расшифровка позволила установить нуклеотидный код РНК, или аминокислотный код, то есть способ, при помощи которого происходит трансляция, или перевод информации, записанной в последовательности нуклеотидов РНК в первичную структуру белков, или последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Таблица 2. РНК-АМИНОКИСЛОТНЫЙ КОД

Первый нуклеотид кодона (с 5′-конца)

Второй нуклеотид кодона

Третий нуклеотид кодона (с 3’-конца)

Примечание: У — уридиловая кислота, Ц — цитидиловая кислота, А — адениловая кислота, Г — гуаниловая кислота. Три буквы обозначают соответствующий аминокислотный остаток: напр.. Фен — фенилаланин. Иле — изолейцин, Глу — глутаминовая кислота, Глн — глутамин и т. п. Триплеты УАА, УАГ, УГА не кодируют аминокислот, но определяют терминацию полипептидной цепи.

Как видно из таблицы, из 64 возможных триплетов (61 кодируют определенные аминокислоты, то есть являются «смысловыми». Три триплета — УДА, УАГ и УГА — не кодируют аминокислот, однако их роль заключается в завершении (терминации) синтеза растущей полипептидной цепочки. Код является вырожденным, то есть почти все аминокислоты кодируются более чем одним триплетом нуклеотидов. Так, 3 аминокислоты — лейцин, аргинин и серии — кодируются шестью кодонами, 2 — метионин и триптофан — имеют только по одному кодону, а остальные 15 — от 2 до 4. Процесс трансляции осуществляется при помощи тРНК, нагруженных аминокислотами. Аминоацил-тРНК присоединяется своим комплементарным триплетом (антикодоном) к кодону мРНК в рибосоме. К соседнему кодону мРНК присоединяется другая аминоацил-тРНК. Первая тРНК при этом присоединяет свой аминокислотный остаток карбоксильным концом к аминогруппе второй аминокислоты, с образованием дипептида, а сама освобождается и отделяется от рибосомы. Далее, по мере продвижения рибосомы но цепи мРНК от 5′-конца к З’-концу, присоединяется третья аминоацил-РНК; происходит соединение дипептида карбоксильным концом с аминогруппой третьей аминокислоты с образованием трипептида и освобождением второй тРНК и так до тех пор, пока рибосома не пройдет весь участок, кодирующий данный белок на мРНК, соответствующий цистрону ДНК. Затем происходит терминация синтеза белков, и образовавшийся полипептид освобождается от рибосомы. За первой рибосомой в полисоме следует вторая, третья и т. д., которые последовательно считывают информацию на одной и той же нити мРНК в полисоме. Таким образом, рост полипептидной цепи происходит с N-конца к карбоксильному (С-) концу. Если подавить синтез белков, например, при помощи антибиотика пуромицина, то можно получить недостроенные полипептидные цепи с незавершенным на разных этапах С-концом. Аминоацил-тРНК присоединяется сначала к малой рибосомной субчастице, а затем переносится на большую субчастицу, на которой и происходит рост полипептидной цепочки. Согласно гипотезе А. С. Спирина во время работы рибосомы при биосинтезе белков происходит повторяющееся смыкание и размыкание субчастиц рибосом. Для воспроизведения синтеза белков вне организма, помимо рибосом, мРНК и аминоацил-тРНК, необходимо присутствие гуанозинтрифосфата (ГТФ), который расщепляется до ГДФ и снова регенерирует в процессе роста поли пептидной цепи. Необходимо также присутствие нескольких белковых факторов, выполняющих, по-видимому, ферментативную роль. Эти так называемые трансферные факторы взаимодействуют друг с другом и для своей активности требуют присутствия сульфгидрильных групп и ионов магния. Помимо собственно трансляции (то есть роста полипептидной цепи в определенной последовательности, соответствующей структурному гену ДНК и передаваемой последовательностью нуклеотидов в мРНК), особую роль играет начало (или инициация) трансляции и завершение (или терминация) ее. Инициация белкового синтеза в рибосоме, по крайней мере в бактериях, начинается с особых кодонов — инициаторов в мРНК — АУГ и ГУГ. Сначала с таким кодоном связывается малая субчастица рибосомы затем к ней присоединяется формилметионил-тРНК, с которой и начинается синтез полипептидной цепи. В силу особых свойств этой аминоацил-тРНК она способна переноситься на большую субчастнцуг подобно пептидил-тРНК, и таким образом начинать рост полипептидной цепи. Для инициации необходимы ГТФ и белковые факторы инициации (известно три). Терминация роста полипептидной цепи происходит на «бессмысленных» кодонах УАА, УАГ или УГА. По-видимому, эти кодоны связываются с особым белковым фактором терминации, который в присутствии еще одного фактора способствует освобождению полипептида.

Компоненты системы биосинтеза белков синтезируются главным образом в клеточном ядре. На матрице ДНК в процессе транскрипции происходит синтез всех типов РНК. участвующих: в этом процессе: рРНК, мРНК и тРНК. Так, рРНК и мРНК синтезируются в виде очень больших молекул и еще в клеточном ядре проходят процесс «созревания», в ходе которого часть (весьма значительная для мРНК) молекул отщепляется и подвергается распаду, не выходя в цитоплазму, а функционирующие молекулы, являющиеся частью первоначально синтезированных, поступают в цитоплазму к местам белкового синтеза. Прежде чем попасть в состав полисом, мРНК, по-видимому, с момента синтеза связывается с особыми белковыми частицами, «информоферами», и в виде рибонуклеопротеидного комплекса переносится к рибосомам. Рибосомы, очевидно, также «дозревают» в цитоплазме, часть белков присоединяется к предшественникам рибосом, выходящим из ядра, уже в цитоплазме. Следует отметить, что у низших, безъядерных организмов (прокариотов), к которым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли и вирусы, имеются некоторые отличия от высших организмов в компонентах системы биосинтеза белков, и в особенности в его регуляции. Рибосомы у прокариотов несколько меньше по размерам и отличаются по составу, процесс транскрипции и трансляции непосредственно связан в одно целое. Вместе с тем у высших ядерных организмов (эукариотов) образование РНК происходит и в органеллах цитоплазмы, митохондриях и хлоропластах (у растений), обладающих собственной системой синтеза белка и собственной генетической информацией в виде ДНК. По своему устройству система белкового синтеза в митохондриях и хлоропластах аналогична таковой у прокариотов и существенно отличается от системы, имеющейся в ядре и цитоплазме высших животных и растений.

Регуляция биосинтеза белков представляет весьма сложную систему и позволяет клетке быстро и четко реагировать на изменения в окружающей клетку среде путем прекращения или индукции синтеза различных белков, часто обладающих ферментативной активностью. У бактерий подавление синтеза белков осуществляется главным образом при помощи особых белков — репрессоров (см. Оперон), синтезируемых специальными генами-регуляторами. Взаимодействие репрессора с метаболитом, поступающим из среды или синтезируемым в клетке, может подавить или, наоборот, активировать его, регулируя таким образом синтез одного белка или нескольких взаимосвязанных белков, в особенности ферментов, синтезирующихся также взаимосвязанно на одном опероне. У высших организмов в процессе дифференцировки ткани теряют способность к синтезу ряда белков и специализируются на синтезе меньшего числа белков, необходимых для функции данной ткани, например мышц. Такое блокирование синтеза ряда белков происходит, по-видимому, на уровне генома (см.) при помощи ядерных белков — гистонов (см.), связывающих нефункциональные участки ДНК. Однако при регенерации, злокачественном росте и других процессах, связанных с дедифференцировкой, такие заблокированные участки могут дерепрессироваться и поставлять мРНК для синтеза необычных для данной ткани белков. Тем не менее и у высших организмов имеет место регуляция синтеза белков в ответ на те или иные стимулы. Так, действие ряда гормонов заключается в индукции синтеза белков в ткани, являющейся «мишенью» данного гормона. Такая индукция, по-видимому, происходит путем связывания гормона с особым белком данной ткани и активацией гена посредством образованного комплекса.

Процесс биосинтеза белков и его регуляция требуют чрезвычайной четкости, точности и слаженности работы всех компонентов системы. Даже небольшие нарушения этой точности приводят к нарушению первичной структуры белков и тяжелым патологическим последствиям. Генетические нарушения, например, замена или потеря одного нуклеотида в структурном гене, приводят к синтезу измененного белка, нередко лишенного биологической активности. Такие изменения лежат в основе врожденных нарушений обмена веществ, к которым, по существу, относятся все наследственные болезни (см.). С другой стороны, целый ряд белков и ферментов может различаться не только у разных биологических видов, но и у разных индивидуумов, сохраняя при этом свою биологическую активность. Нередко такие белки обладают разными иммунологическими и электрофоретическими свойствами. В популяциях человека описаны многие примеры так называемого полиморфизма белков, когда у разных индивидуумов, а иногда и у одного и того же индивидуума можно обнаружить два или несколько неодинаковых белков, обладающих одной и той же функцией, как, например, гемоглобин (см.), гаптоглобин (см.) и некоторые другие.

Белки в питании

Среди многочисленных пищевых веществ белкам принадлежит наиболее важная роль. Они являются источниками незаменимых аминокислот и так называемого неспецифического азота, необходимых для синтеза белков человеческого организма. Выраженная недостаточность белков в питании приводит к тяжелым нарушениям функции организма (см. Алиментарная дистрофия). От уровня снабжения белками в большой степени зависит состояние здоровья, физического развития и- работоспособности человека, а у детей раннего возраста в определенной мере и умственное развитие. Если учесть все производимые для питания растительные и животные белки, то в среднем на каждого жителя Земли придется около 58 г в день. В действительности более половины населения, особенно развивающихся стран, не получает этого количества белка. Глобальный дефицит пищевого белка должен быть отнесен к числу наиболее острых экономических и социальных проблем современности (см. Кризис белковый). В связи с этим установление оптимальных уровней содержания белка в пищевых рационах приобретает первостепенную важность.

В наибольших количествах белки требуются в периоды интенсивного роста. Однако и в организме, достигшем зрелости, процессы жизнедеятельности связаны с непрерывной тратой белковых веществ и, следовательно, необходимостью воспол нения этих потерь с пищей. В соответствии с рекомендациями Экспертной группы ФАО/ВОЗ расчет потребности в белковом азоте следует проводить по формуле: R=1,1(U_b+F_b+S+G), где R — потребность в белковом азоте; U_b — выделение азота с мочой; F_b — выделение азота с калом; S — потеря азота за счет десквамации эпидермиса, роста волос, ногтей, выделения азота с потом при неинтенсивном потении; G — удержание азота в процессе роста (расчет ведется на 1 кг массы в день).

Коэффициент 1,1 отражает добавочные траты белков (в среднем 10%), возникающие в результате стрессовых реакций и неблагоприятных воздействий на организм. Границы индивидуальных вариаций потребностей в белках принимаются равными ±20%. Официальные рекомендации экспертной группы ФАО/ВОЗ отражены в табл. 3.

Таблица 3. СРЕДНЕСУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В БЕЛКАХ (при условии его полного усвоения)*

Возраст (в годах)

Потребность (в г на 1 кг массы тела в день)

Источник