Ми часто говоримо про білки тільки з погляду поживності та важливості для раціону. Звісно, це необхідний компонент нашої дієти. Але насправді світ білків — це не лише про їжу. Як організм будує власні білки? Для чого їх потрібно скручувати? Чому, коли готуємо яєчню, рідкий прозорий білок стає білим? Як геймери допомагають науковцям розшифровувати структуру білків? За 10 хвилин ви дізнаєтесь основне про один із найголовніших будівельних блоків організму.
Білки можуть видаватись нам чимось простим і інтуїтивно зрозумілим. Але що ми знаємо про них поза контекстом раціону? Мабуть, що вони складаються з амінокислот і важливі для організму. Але білки беруть участь без перебільшення майже в усіх процесах в організмі і є основою таких важливих структур, як гормони, ферменти, антитіла, рецептори, транспортери. Гемоглобін, який переносить кисень, колаген, який дозволяє нашій шкірі бути еластичною, інсулін, який регулює рівень глюкози в крові, — це білки. А ще є актин, міозин, фібриноген, амілаза, гістони, феритин, кератин, альбумін, С-реактивний білок. Про більшість із них ви, напевно, чули, якщо здавали аналіз крові, досліджуєте косметологію, читаєте «Куншт» чи просто цікавитеся темою.
Що таке амінокислоти?
Білки побудовані з амінокислот. Та в людському організмі всього 20 видів амінокислот, які входять до складу білків, і справедливо постає питання, як вони можуть забезпечити таке неймовірне різноманіття. Амінокислоти можна порівняти з абеткою. Комбінуючи букви, можна створити тисячі нових слів, а комбінуючи слова, можна стільки всього сказати! Так само, поєднуючи амінокислоти в довжелезні ланцюжки, можна створювати абсолютно різні за структурою та функціями білки1,2.
Амінокислоти — це сполуки, які містять карбоксильну групу (-СООН), аміногрупу (-NН2) та бічний ланцюг — ділянку, яка різна в усіх амінокислот (Рис. 1.).
Рис. 1. Загальна формула амінокислот. Кожна амінокислота містить аміногрупу та карбоксильну групу, а бічний ланцюг — це унікальна ділянка, яка відрізняється для кожної амінокислоти. Джерело: What Are Amino Acids? | The Science Blog
Аміногрупа — це залишок аміаку, який має слабкі лужні властивості, а карбоксильна група — залишок кислоти. Саме вони можуть взаємодіяти між сусідніми амінокислотами. Утворюючи пептидний зв’язок, вони з’єднуються з відщепленням води, утворюючи ланцюжки (Рис. 2.). Якщо з’єднались 2-10 амінокислот, молекулярна маса ланцюжка буде досить низькою. Справжні ж білки значно більші, їх довжина — понад 50 амінокислот. А найбільший білок людського організму, тітин, складається з більш ніж 34 тисяч амінокислот2,3,4,5,6!
Рис. 2. Карбоксильна група однієї амінокислоти реагує з аміногрупою іншої кислоти. Цей процес супроводжується відщепленням молекули води, а амінокислоти об’єднуються в ланцюжки з утворенням пептидного зв’язку. Джерело: Peptide Bond Formation - Biochemistry Flashcards | Draw it to Know it
Як зібрати білок по кресленнях?
Як організм створює білки? Для цього в нього є велетенська інструкція — ДНК. Це послідовність нуклеотидів (їх усього чотири види: аденін, тимін, гуанін та цитозин). Комбінація з трьох нуклеотидів (триплет) «шифрує» одну амінокислоту. ДНК можна уявити як речення, що складається з трьохлітерних слів: «вінтриднібувтамалевжечасіти». Коли воно суцільне, нічого не зрозуміло, але якщо додати пробіли між словами, все стає на свої місця: «Він три дні був там, але вже час іти». Кожне слово — це окрема амінокислота, і якщо правильно розставити пробіли, отримаємо речення, яке має сенс, і білок, який буде правильно функціонувати7,8. Але як відбувається перетворення інструкції з ДНК на готовий білок?
Щоб виготовити необхідний білок, нам не потрібна гігантська інструкція на всі випадки життя з усього ДНК. Коли клітині потрібен конкретний білок, вона розкручує ДНК в тому місці, де є інформація про цей білок, і переписує у вигляді РНК. Цей процес так і називається — транскрипція. Його можна порівняти з тим, як ми переписуємо номер із телефонного довідника: нам не потрібні абсолютно всі контакти, ми просто шукаємо необхідний і записуємо на клаптику паперу9. Хоча ДНК може здаватись суцільним ланцюгом, її інформація структурована, і кожен функціональний ген має початкове і кінцеве «слово», яке допомагає зрозуміти, де почалася й закінчилася інформація про білок2.
Переписана РНК з інформацією про потрібний нам білок спрямовується до рибосом — 3D-принтерів, які «друкують» білки за схемою. Рибосома за структурою схожа на хот-дог, де замість сосиски проходить довга нитка РНК. РНК просувається, наче на конвеєрі, крізь рибосому, рибосома «зчитує» триплет і доєднує потрібну амінокислоту. Після приєднання нитка рибосоми просувається далі, рибосома «зчитує» наступний триплет і приєднує наступну амінокислоту10.
Рис. 3. Для створення білка інформація з ДНК переписується у вигляді РНК. Далі білок збирається з амінокислот на рибосомах. Джерело: An Introduction to DNA Transcription
І транскрипція і створення білка — процеси, які не терплять помилок. Помилка в гені або одна неправильна амінокислота призводить до зміни властивостей білка, а отже він не зможе коректно виконувати свої функції. Наприклад, серповидноклітинна анемія — захворювання, при якому еритроцити мають форму серпа і погано переносять кисень, — викликане всього однією заміною амінокислоти в білку гемоглобіну через генетичну мутацію2.
«Новій пошті» й не снилося
Якщо білок надруковано, це ще не означає, що він готовий відразу братися до роботи. Над ним ще треба трохи почаклувати: відщепити першу та останню амінокислоти, які були нашим стартовим і завершальним «словом», розщепити непотрібні зв’язки, з’єднати разом кілька білкових молекул, або, наприклад, додати інші сполуки. Так, деякі білки складаються не лише з білкової частини, а й із ліпідів, вуглеводів, іонів металів. Такі небілкові частини додають білковій молекулі нові властивості, щоб білки могли виконувати більш різноманітні функції1,2.
Але й це ще не все. Щоб білок був функціонально активним, його потрібно правильно упакувати. Ланцюжок амінокислот — це лише первинна структура білка. Якби всі білки були у формі ланцюжка, їм банально не вистачило б місця у клітині, тому вони ретельно скручуються.
Вторинна структура викликана тим, що амінокислоти в молекулі білка лежать не в одній площині, а можуть мати вигляд спіралі (α-спіраль) або складеного «гармошкою» листка паперу (β-структура). Зазвичай всі білки складаються в один із цих двох варіантів, але, наприклад, нерозчинний білок колаген утворює потрійну суперспіраль, яка надає йому особливу міцність та пружність. Але й вторинної структури не достатньо. За рахунок містків між атомами сірки (вони є у складі амінокислоти цистеїну) утворюються дисульфідні мостики. Крім того, в молекулі білка відбувається багато інших взаємодій: електростатичних (ви правильно зрозуміли, тут притягуються протилежно заряджені частинки) або гідрофобних (гідрофобні амінокислоти у складі білка «ховаються» всередину молекули, щоб не контактувати з водою). Тому білки можуть скручуватись у кульки або ниточки — це і є третинна структура2,11. Перші зазвичай компактні та розчинні, а другі погано або ж зовсім не розчиняються у воді.
Якщо білок складається з кількох ланцюгів амінокислот, які упаковуються разом, це утворює його четвертинну структуру. Кожен такий ланцюг в такій структурі називається субодиницею. Так, наприклад, вже згаданий гемоглобін – це білок, який складається з чотирьох субодиниць12. На Рис. 4 можна побачити всі типи структур. Ретельність такого упакування вражає, навіть найкращі кур'єрські служби можуть позаздрити!
Рис. 4. Різні рівні упакування білка. Джерело: Learn About the 4 Types of Protein Structure
Геймери та науковці: гра в одній команді
Любите комп’ютерні ігри? Є чудовий шанс допомогти науці! У попередньому розділі ми говорили про структуру білків. Це складна річ, передбачити яку важко навіть для невеликих білків. А оскільки різних білків дуже багато, визначення структури кожного з них — нескінченне поле для наукових досліджень. Комп’ютерні технології допомагають, але й у звичайних гравців є шанс зробити свій внесок в цій кропіткій справі.
Комп’ютерна гра Foldit дозволяє гравцям спробувати передбачити структуру білка і «скрутити» його найбільш енергетично вигідно. Знання біохімії та молекулярної біології не потрібні — лише логіка, фантазія та просторове мислення. Гравці повертають і складають 3D-модель білка у спробах знайти найбільш ефективну форму. Найкращі моделі перевіряють науковими методами, й вони виявляються досить успішні. Так, гравці правильно спроєктували модель ферменту M-PMV ретровірусної протеази, який відіграє ключову роль у розвитку вірусу, схожого на ВІЛ. За словами біохіміка Фіраса Хатіба, мета цієї гри — визначити, чи може «людська інтуїція досягти успіху там, де автоматизовані методи зазнали невдачі»15.
Рис. 5. Зображення з гри Foldit. Джерело: Foldit - COVID-19
Смажені яйця і температура. Що таке осадження та денатурація
Білки можуть втрачати свою структуру під впливом фізичних чи хімічних факторів. Цей процес називається денатурацією. Наприклад, коли підсмажуємо яйце, прозорий в’язкий білок стає білим і твердим. Це приклад незворотної термічної денатурації білків, зокрема альбуміну. Денатурація означає, що білок втратив свої природні структури (вторинну, третинну та четвертинну), але зберіг первинну структуру (послідовність амінокислот). У деяких випадках, якщо умови змінюються, білок може повернутися до свого первісного стану, і цей процес називається ренатурацією. Однак якщо денатурація незворотна (наприклад, через високу температуру), білок уже не може відновити структуру2,14.
Саме тому висока температура тіла може бути небезпечною. Організм реагує підвищенням температури, щоб знищити інфекції, адже багато патогенних бактерій «бояться» високої температури. Але через значне підвищення температури можуть постраждати й наші власні білки. Тому температура тіла вища за 40 градусів — це небезпека не лише для бактерій, а й для нас13.
Денатурацію білків може спричинити не лише висока температура, а й луги, кислоти, спирт, ацетон, солі важких металів, алкалоїди та мийні засоби2.
***
Я трохи збрехала в назві статті. Усе найважливіше не вмістилось в 10 хвилин — надто вже цікава тема. Тому в наступному тексті розповім про функції білків.
