Білки беруть участь у — без перебільшення — усіх процесах в організмі. В статті розглянемо детально кожну з цих функцій, щоб справедливо оцінити роль будівельних блоків життя.
«Давай скоріше там!». Ферменти
Щоб максимально ефективно працювати, організму потрібно швидко реагувати на зміни навколишнього середовища (наприклад, миттєво почати використовувати запаси енергії, щоб втекти від хижака). А оскільки без особливих умов (високої температури, тиску) більшість хімічних реакцій відбуваються досить повільно, живі організми почали використовувати прискорювачі хімічних реакцій — ферменти. Вони — наче мама, яка квапить збиратися до школи: не втручаються в процес складання рюкзака і не чистить тобі зуби, просто своєю присутністю і суворим поглядом прискорює дії. Ферменти теж прискорюють хімічні реакції (у середньому в 108-1020 разів!), але самі залишаються незмінними1.
Чоботи-скороходи хімічних реакцій. Як працюють ферменти
Майже всі ферменти за своєю природою — білки. Це з’ясували, коли помітили, що ферментативні реакції припиняються після кип’ятіння, у дуже кислому або лужному середовищі, за наявності солей важких металів. В усіх цих випадках білковий фермент денатурував і втрачав свої каталітичні властивості. Тобто ферменти — особливі білки, які можуть змушувати взаємодіяти між собою хімічні речовини2.
Впевнена, що прикладів ферментів ви знаєте чимало. Мабуть, багато людей мого віку пам’ятають зі школи лабораторну роботу, де потрібно було просто… жувати хліб. Довго розжовуючи шматочок чорного хліба ми, школярі, починали відчувати легкий солодкий смак. Це результат активності ферменту амілази слини. Він розщеплює крохмаль на менші молекули вуглеводів, серед яких — мальтоза, що складається з двох молекул глюкози й має солодкий смак3. Ще ви, звісно, чули про лізоцим. Можливо, не саму назву, а популярний міф, що слина собаки може загоювати рани. Фермент лізоцим, який є не лише в слині собак, а й у людей (і в сльозах теж), справді має антибактеріальні властивості й захищає слизові оболонки (проте при пораненнях все ж краще користуватись антисептиками)4. Інший популярний фермент, пепсин, розщеплює спожиті нами білки. Його ще з минулого століття застосовують для лікування порушень травлення6.
«Вам тут листа передали». Гормони
Щоб робота всіх органів і систем була злагодженою, треба мати командний центр — мозок. Але не менш важливо, щоб команди від мозку надходили швидко і вчасно. Нервова система та гормони — це месенджер, за допомогою якого мозок «спілкується» з тілом. І як ви вже здогадались, частина гормонів — це білки10.
Найвідоміший гормон білкової природи — інсулін. Він синтезується підшлунковою залозою та регулює рівень глюкози у крові. Цей невеликий білок (розміри можна порівняти на Рис. 1) містить лише 51 амінокислотний залишок, але його відкриття стало справжнім проривом у медицині11. У січні 1922 року в лікарні Торонто хлопчику, що помирав (тоді діабет був смертним вироком), вперше ввели дозу інсуліну — і небезпечно високий рівень глюкози в крові дитини став майже в межах норми. Новина стала сенсаційною, використання інсуліну незабаром поширилося в інших лікарнях, а вже наступного року дослідники за це відкриття отримали Нобелівську премію в галузі медицини12.
Рис. 1. Порівняння розмірів різних білків. Джерело: How big is the “average” protein?
Коли нам говорили в дитинстві «Лягай спати — швидше виростеш», це було щирою правдою, а не лише способом укласти до ліжка непосидючих дітей. Соматотропін, більш відомий як гормон росту, найактивніше виділяється на початку сну. Він регулює ріст дитини після народження і ще низку метаболічних функцій. Якщо цей гормон синтезується недостатньо, без належного лікування це може призвести до карликовості. Якщо ж його з дитинства забагато, розвивається гігантизм. Такі діти можуть виростати до двох метрів, проте ростуть вони пропорційно. Якщо гіперфункція починається в дорослому віці, то росте не все тіло, а окремі його частини — ніс, вуха, язик, ноги та руки. Така хвороба називається акромегалія10. Один із найвідоміших людей з акромегалією — Французький Ангел (Моріс Тіє), професійний реслер 1930-1940-х років. Поліглот із вищою юридичною освітою, він був змушений відмовитись від кар’єри адвоката, оскільки розумів, що його зовнішність стане на заваді. Тіє вимушений був змінити сферу — і досягнув чималих успіхів у боротьбі13. Існують чутки, що створюючи культовий образ Шрека, творці надихались саме Морісом Тіє, хоч студія цього й не підтверджує.
Рис. 2. Моріс Тійє – Французький Ангел. Джерело: Life was a fairytale for the 1940s wrestler who inspired Shrek’s iconic look
«Не чіпай, гаряче!». Рецептори
Щоб різні клітини отримали гормони-повідомлення, їм потрібно «встановити застосунок». У клітині це рецептори — вони дозволяють аналізувати все, що відбувається навколо та всередині. Рецептор — це білок (або білок + вуглевод), котрий специфічно розпізнає сполуку, для якої він створений. Так, щоб «розпізнати» інсулін, на мембрані клітини повинні бути інсулінові рецептори, а для адреналіну є адренергічні рецептори. Рецептори до нейромедіаторів реагують на дофамін, серотонін, ацетилхолін, і це критично важливо для роботи нервової системи.
Рецептори потрібні не лише для гормонів. Так, сенсорні рецептори допомагають сприймати інформацію з навколишнього середовища, щоб ефективно адаптуватись до нього. Наприклад, терморецептори допомагають відчути, що на вулиці холодно, і дати сигнал організму виробляти більше тепла чи, навпаки, пітніти, щоб охолодитись. Фоторецептори реагують на світло, смакові рецептори — на хімічні сполуки, які мають різний смак і можуть бути або поживними, або небезпечними. Ольфакторні рецептори дозволяють відчувати запах, а механорецептори — дотики. Крім того, HLA-рецептори, які є на кожній клітині — це їхні паспорти, які «захищають» здорові клітини від атаки власних імунних клітин7,10,14,15. Все це працює завдяки білкам!
Для чого клітинам імунний «паспорт» і чому він важливий для трансплантації
«Та вона тебе боїться більше, ніж ти її». Антитіла
Одна з найважливіших функцій білків — захисна. Антитіла — це білки, які виробляє організм для боротьби з нелегалами, тобто вірусами та бактеріями. Вони синтезуються В-лімфоцитами, знаходять свою мішень і зв’язуються з нею. Це дозволяє імунним клітинам знаходити й знешкоджувати бактерії та уражені вірусом клітини16.
Володар тестів: коли тестуватися на COVID-19 і який тест обрати
Армія всередині нас: як війна впливає на імунітет
«Ти можеш на мене покластись». Структурні білки
Структурні білки у комплексі з фосфоліпідами є основними компонентами мембран клітин. Завдяки їм клітини зберігають форму, міцність й правильну просторову організацію9. Приклади структурних білків, мабуть, найбільш знайомі тим, хто цікавиться індустрією краси. Колаген, кератин та еластин дивляться на нас ледь не з кожної баночки косметики.
Колаген — унікальна молекула білка, яка утворює потрійну спіраль. Це найпоширеніший білок людського організму, що становить 30% його сухої ваги. Колагенові волокна надають міцності кісткам, хрящам, сухожиллю та шкірі17. Цікаво, що желатин — це частково розщеплений (гідролізований) колаген18.
Кератин — це структурний білок волосся, нігтів, пір’я, рогів, копит та зовнішніх шарів шкіри. Кератин утворюється в епітеліальних клітинах і клітинах епідермісу19. Він абсолютно не розчинний у воді (навіть гарячій) і не піддається впливу ферментів, які розщеплюють білки20. Та навіть незважаючи на його суперстійкість, у природі є організми, здатні ним поласувати, — гриби дерматофіти, які спричиняють шкірні інфекції. Вони виділяють ферменти, що розщеплюють кератин, викликаючи стригучий лишай, «стопу атлета», лишай бороди тощо21,25.
Назва еластину говорить сама за себе — він може розтягуватись, як еластична стрічка, залежно від потреби22. І якщо колаген надає шкірі міцності, то еластин — гнучкості та розтяжливості. І не тільки шкірі: він є і в кровоносних судинах, і в легенях — структурах, які постійно розтягуються і стискаються. Цікаво, що еластин активно синтезується лише до пізнього підліткового віку (пізніше його синтез практично зупиняється), але оскільки це довгоживучий білок, то період його напіврозпаду становить близько сімдесяти років, тобто до старості ми просто повільно втрачаємо його і вкриваємось зморшками. Цікаво, що винятком може стати вагітність — у цьому стані організм може заново синтезувати еластин, проте після пологів він руйнується5. Ультрафіолет, сигаретний дим та високі концентрації глюкози прискорюють руйнування еластину23.
«Сорок присідань, а потім підтягування». Моторні білки
За рух клітин та цілих організмів також відповідають білки. Мабуть, більшість з вас бачили, як білок кінезин впевнено «крокує» по мікротрубочці, якщо ні — обов’язково подивіться тут! Так от, білки рухають наші клітини й органели всередині них, дозволяють м’язам скорочуватись, запускають в рух джгутики бактерій8. Зупинимось детальніше на моторних білках, які дозволяють нам рухатись — актині й міозині. Коли ви хочете взяти олівець зі стола, мозок відправляє сигнал м’язам. М’язи складаються з клітин міоцитів, які містять саркомери — білкові комплекси, що, власне, і скорочуються. Білок міозин утворює товсті філаменти цього комплексу, а актин — тонкі. Скорочення — це процес «стиснення», де стискаються не самі білки: актин рухається по міозину, як по «рейках». Якщо два гребінці скласти зубчиками один в одного, вони займатимуть менше місця. Так само й ці білки в скороченому стані — наче стиснуті, а стан м’яза напружений. А в розслабленому стані вони «відкочуються» до вихідного положення24.
Ще сім мішків функцій
Функцій білків значно більше, ніж помістилось у цій статті. Білки транспортують більшість речовин організму: наприклад, гемоглобін транспортує кисень до тканин і «забирає» з них непотрібний вуглекислий газ, а трансферин транспортує залізо. Фактори згортання крові не дозволяють померти від найменшої подряпини. Генорегуляторні білки забезпечують копіювання та реалізацію білка. При отруєннях солями важких металів чи алкалоїдами білки нейтралізують ці небезпечні речовини. Коли зовсім не вистачає поживних речовин, організм використовує власні білки для отримання енергії (тому при тривалому голодуванні втрачається м’язова маса)6,9. Тож роль білків в організмі справді дуже важко переоцінити — ці маленькі цеглинки роблять надзвичайно багато для нашого життя!
