12 функций белков в организме

Из этой статьи вы узнаете:

• что такое белок;
• какие виды белков существуют;
• сколько белков в организме;
• какие функции выполняют белки;
• можно ли создать новые белки в лаборатории.

Что такое белок

Белок — это, без преувеличения, «молекула жизни». Отправляя космический зонд в поисках жизни на Марсе, спутниках Юпитера и Сатурна, ученые NASA дают ему задание найти не только воду, но и аминокислоты — строительный материал для белковой молекулы [1]. При их обнаружении можно будет сделать вывод, что жизнь на планете есть или существовала ранее.

Если разобрать любой белок, мы получим в среднем 300 аминокислот [2]. Аминокислоты выступают в роли «деталей», из которых можно создать неограниченное количество «конструкций» — белков [3]. Хотя аминокислот всего 20, но их последовательность и количество уникальны в каждом белке [3].

Как образуется белок [4]:

• Сначала аминокислоты выстраиваются в длинные цепочки — пептиды.
• Они складываются в виде гармошки и образуют спираль.
• Несколько таких спиралей скручиваются в компактный трёхмерный белок.
• Несколько белков могут объединиться и создать новую молекулу.

Белки и протеины — это одно и то же?

Да. В отечественной литературе название «белок» появилось потому, что первые опыты по выделению молекул проводили на яичном белке [5]. Но в мировой науке для их обозначения используют термин «протеин», который ввёл шведский учёный Йёнс Якоб Берцелиус в 1838 году: на греческом prōteios значит «первый по значимости».

Виды белков

С точки зрения химического состава белки классифицируются как простые и сложные. Простые белки состоят исключительно из цепочек аминокислот. Сложные, помимо аминокислот, содержат дополнительные небелковые компоненты [6].

Кстати, из названия протеина можно понять, какая его часть дополнительная, например:

• металлопротеины содержат ионы металлов;
• хромопротеины включают пигмент;
• липопротеины представляют собой связку «белок + жир».

Сколько всего белков в организме

Изучением белков занимается отдельная наука — протеомика [7]. В 2001 году по инициативе международного сообщества учёных была создана Организация по изучению протеома человека — Human Proteome Organization, или HUPO [8]. Её основная задача — создать полный перечень белков в организме человека, разработать молекулярный атлас протеинов для каждого органа и каждой ткани. Это позволит понять, как все протеины взаимодействуют друг с другом и какие белки могут появляться при патологиях.

Но важно уточнить, что 19 778 — это не общее количество белков в организме, а количество различных типов белков, закодированных в геноме человека. То есть один и тот же ген может создавать разные формы протеинов, после этого они видоизменяются — присоединяют к себе другие вещества и превращаются в более сложные соединения [9].

Какие функции у белков организме

Функция белкового вещества зависит от его формы [2]. Как только белок приобретает свою форму, он может связываться с другими молекулами, чтобы выполнить одну из следующих функций.

Транспорт веществ

Белки связывают и переносят вещества из одних тканей в другие или из межклеточного пространства в клетку. Самые известные транспортные белки:

• Липопротеиды — участвуют в транспорте жиров: холестерина и триглицеридов. Одни липопротеиды доставляют жир из печени в клетки, другие «вылавливают» холестерин из крови и передают клеткам печени. Первые называют «плохим» холестерином, вторые — «хорошим» [10].
• Трансферрин — транспортирует ионы железа, причем может переносить на своей поверхности больше железа, чем весит сам [10].
• Альбумин — составляет больше половины белков крови. Альбумины переносят гормоны, лекарства, желчные кислоты, витамины, некоторые микроэлементы, например цинк. Также альбумины могут связывать тяжелые металлы и токсины, чтобы те не навредили организму [7].

Читайте также:

35 продуктов, богатых цинком

Дыхание

Помимо дыхания в лёгких, существует ещё тканевое дыхание: ткани поглощают кислород и отдают накопившийся в них углекислый газ. Чтобы этот обмен произошел, необходимы «дыхательные» белки — гемоглобин и миоглобин.

Гемоглобин — белок красных клеток крови, который присоединяет к себе кислород или углекислый газ [11].

Миоглобин — в крови практически отсутствует, зато сконцентрирован в мышцах и придаёт им красный цвет [12]. Если гемоглобин легко отдаёт и присоединяет кислород, то миоглобин «запрограммирован» удерживать кислород, пока в нём не возникнет острая необходимость [13]. Такая «аварийная» ситуация возникает, когда нужно больше кислорода, чем доставляет гемоглобин. Например, когда мы активно двигаемся, мелкие сосуды, питающие мышцу, сдавливаются при мышечном сокращении, и миоглобин остается единственным источником кислорода [13].

Защита организма

У иммунной системы нет точного «адреса» в организме. Это множество клеток и белковых молекул в составе крови и внутри тканей. Главные защитные белки — это антитела, или иммуноглобулины. У этих молекул своеобразная форма в виде буквы Y. Благодаря ей антитела могут связывать чужеродные белки, чтобы они не навредили организму [14].

На поверхности иммуноглобулинов есть углубления разной формы. Они на 100% соответствуют очертаниям антигена — молекулы, против которой действуют антитела. Присутствие таких антител против возбудителя какой-либо болезни называют приобретённым иммунитетом.

Читайте также:

Иммунитет: как он работает и можно ли его повысить

Работа органов чувств

Зрение, слух, обоняние, вкус и осязание начинаются с чувствительных нервных окончаний — рецепторов [15]. Все они представляют собой специализированные белки разной формы, которые реагируют строго на определённый стимул:

• фоторецепторы — на световые волны;
• механорецепторы — на давление или звуковую волну;
• терморецепторы — на холод или тепло;
• хеморецепторы — на растворённые молекулы сахара и кислот или летучие ароматические соединения [15].

Остановка кровотечения

За это отвечают множество белков, которые называют факторами свёртывания. Они растворены в крови, но в неактивной форме. Как только сосудистая стенка повреждается, факторы свёртывания активируются один за другим. В финале этой цепной реакции образуется фибрин — плотный нерастворимый белок, который формирует прочную трёхмерную сеть. На ней фиксируются клетки крови и постепенно формируется прочный тромб, «запечатывающий» повреждённый участок сосуда [16].

Движение

Сокращение мышц обеспечивается взаимодействием двух нитевидных двух белков — миозина и актина. Они расположены параллельно друг другу, и когда актин скользит по миозину, мышца сокращается [17].

Около 40% массы тела взрослого здорового человека весом около 70 килограммов составляют мышцы, которые примерно на 20% состоят из мышечного белка. Таким образом, в организме человека содержится от 5 до 6 килограммов мышечного белка [18].

Обмен веществ

Обмен веществ протекает, даже когда вы не двигаетесь или спите. Сложные молекулы расщепляются до простых, из простых создаются новые сложные, вредные вещества нейтрализуются, а полезные сохраняются. Все эти процессы происходят при участии ферментов, которые ускоряют химические реакции.

• Алкогольдегидрогеназа — работает в печени и нейтрализует алкоголь. «Дегидро» означает, что фермент удаляет из молекулы этанола (алкоголя) водород [19].
• АТФ-синтаза — образует (синтезирует) молекулу АТФ, в виде которой клетки аккумулируют энергию. Есть еще АТФаза, которая, наоборот, разрушает АТФ, чтобы получить энергию [19].
• H+-K+-АТФаза — протонный «насос» в клетках желудка. Он «качает» ионы водорода (H+) в полость желудка в обмен на ионы K+. Ионы водорода вместе с ионами хлора создают в желудке кислую среду. Этот процесс очень энергозатратный, поэтому «насос» содержит АТФазу. Кстати, именно H+-K+-АТФаза — «мишень» для действия таких лекарств, как омепразол или пантопразол. Все препараты этой группы подавляют работу «насоса» и снижают кислотность желудка [20].

Читайте также:

Метаболизм — что это такое и можно ли его ускорить

Пищеварение

Организм не может усвоить пищу в том виде, в каком мы её употребляем. Но в пищеварительной системе есть ферменты для обработки белков, жиров и углеводов:

• Амилаза — присутствует в слюне и соке поджелудочной железы для превращения сложного углевода крахмала в простую глюкозу.
• Липаза — расщепляет крупные молекулы жиров (триглицериды) на более простые компоненты: жирные кислоты и глицерин.
• Пепсин — действует в кислой среде желудка, помогает превратить белок в пептиды. Последние представляют собой цепочки чуть длиннее аминокислот [21].

Есть также ферменты для конкретных питательных веществ, например лактаза, которая нужна, чтобы расщепить лактозу — молочный сахар. У некоторых людей лактазы изначально очень мало, поэтому они не могут усвоить молочные продукты, — это расстройство называют непереносимостью [21].

Читайте также:

15+ продуктов для кишечника

Структура и опора

Во всех тканях есть «каркас», который обеспечивает прочность органа и состоит из коллагеновых волокон. Коллаген — самый распространенный белок в организме. Больше всего коллагена в костях, сухожилиях, связках и коже [22].

Гормональная регуляция

Некоторые гормоны по своей природе — белки. Например:

• Инсулин — помогает глюкозе проникнуть в клетку.
• Соматотропин — «гормон роста», стимулирует рост тканей.
• Тиреотропин — заставляет щитовидную железу выделять больше гормонов.
• Фолликулостимулирующий и лютеинизирующий — регулируют функцию яичников и менструальный цикл.
• Окситоцин — запускает роды [23].

Хранение

Есть так называемые «запасающие» белки, способные хранить минералы в организме. Например, железо в организме откладывается в виде ферритина. Это белок сферической формы, в центре которого могут поместиться до 4500 атомов железа [24].

Энергия

Белки — такие же «носители калорий», как углеводы или жиры. При расщеплении 1 грамма белка выделяется 4 ккал энергии, столько же образуется из 1 грамма углеводов. Но учитывая, сколько функций выполняют белковые соединения в организме, крайне нерационально использовать их для получения энергии, если есть углеводы и жиры. Поэтому белок — это резервный источник калорий. Организм решится использовать его, только если израсходованы другие «носители» — углеводы и жиры [25].

Читайте также:

20 продуктов, богатых белками

Можно ли создать новый белок

Более полувека ученые не могли понять, в какой именно последовательности выстраиваются аминокислоты для создания белка. Речь не о случайном порядке, есть какая-то закономерность, которую, как считалось ранее, невозможно разгадать. Но в 2024 году научный мир узнал о работах Дэвида Бейкера, Демиса Хассабиса и Джона Джампера. За революционные достижения в области понимания и создания белков они получили Нобелевскую премию [26].

Дэвиду Бейкеру удалось придумать новый белок из аминокислот, используя технологию компьютерного дизайна. С тех пор его исследовательская группа разработала множество необычных белковых структур, включая белки, которые можно использовать в качестве лекарств, вакцин, наноматериалов и миниатюрных сенсоров.

Демис Хассабис и Джон Джампер разработали модель искусственного интеллекта, которая способна с высокой точностью предсказывать трёхмерную структуру белков по их аминокислотной последовательности [26]. Это значит, что теперь учёные смогут быстрее и эффективнее разрабатывать лекарства, затрачивая меньше усилий и средств. Возможно, именно благодаря этому открытию мир скоро получит доступные препараты для лечения заболеваний.