41. РОЛЬ БЕЛКОВ В ПРОЦЕССАХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Белки входят в состав живых организмов и являются основными материальными агентами, управляющими всеми химическими реакциями, протекающими в организме.

Одной из важнейших функций белков является их способность выступать в качестве специфических катализаторов (ферментов), обладающих исключительно высокой каталитической активностью. Без участия ферментов не происходит почти ни одна химическая реакция в живом организме. В настоящее время известны тысячи различных белков-ферментов, и каждый из них построен так, чтобы наилучшим образом катализировать определенную химическую реакцию. Например, расщепление перекиси водорода

происходит в организме под действием фермента каталазы. Одна молекула этого фермента может за одну минуту расщепить до 5 млн. молекул не влияя при этом на скорость ни одной другой реакции. Отсутствие каталазы делает практически невозможным расщепление перекиси водорода в организме.

Следует отметить, что некоторые ферменты могут выполнять свои функции только в присутствии активаторов, роль которых могут играть, в частности, некоторые металлы: магний, железо, медь, цинк и марганец. Этим в основном определяется большое значение металлов в процессах жизнедеятельности.

Вопрос о механизме каталитического действия ферментов в общем виде еще до конца не изучен. Однако для некоторых ферментов известна природа каталитического действия.

Ферментативный катализ обусловлен высокоспецифическим пространственным взаимным расположением отдельных химических групп в молекуле фермента, благоприятствующим

образованию реакционноспособных комплексов между реагирующими молекулами. Способность молекулы фермента обеспечивать необходимое для данной реакции специфическое пространственное взаиморасположение реагирующих молекул обеспечивает резкое ускорение соответствующих реакций. Каталитическое действие ферментов обусловлено наличием в них активных участков.

По каталитическому действию ферменты во много раз более активны, чем обычно применяемые в химической промышленности катализаторы. Поэтому весьма перспективной и заманчивой является возможность исаользования в промышленности катализаторов, работающих по принципу ферментов.

Вторая важнейшая функция белков состоит в том, что они определяют механо-химические процессы в живых организмах, в результате которых поступающая с пищей химическая энергия непосредственно превращается в необходимую для движения организма механическую энергию. Подсчитано, что человек в среднем потребляет за сутки такое количество энергии, которого хватило бы для того, чтобы довести до кипения около 30 л ледяной воды.

Откуда же организм получает необходимую энергию?

Для этой цели ему нужны «горючее» и кислород. Роль горючего выполняют продукты расщепления углеводов и жиров, а кислород организм получает из воздуха.

В крови человека и животных находятся миллионы эритроцитов — красных кровяных телец, содержащих гемоглобин (стр. 376). Одна молекула гемоглобина может связать сравнительно непрочной связью 4 молекулы кислорода, образуя молекулу оксигемоглобина. Насыщенная кислородом кровь направляется по артериям ко всем клеткам организма. При этом от оксигемоглобина легко отщепляется кислород, который переходит в клетки. Окисляя, продукты расщеплеция жиров и углеводов, кислород соединяётся с водородом органических соединений и образует воду. Этот процесс дегидрирования осуществляется с помощью окислительных ферментов и сопровождается выделением большого количества энергии.

Ферменты регулируют процесс окисления таким образом, чтобы выделение энергии происходило в строгом соответствии с ее потреблением. Вот почему, когда мы производим физическую работу, организму требуется дополнительное количество кислорода и дыхание учащается.

Когда организму в короткий срок необходимо очень большое количество энергии, используется всегда имеющийся в организме запас полисахарида гликогена. Гликоген превращается в глюкозу, а глюкоза расщепляется в несколько стадий, давая в конечном счете две молекулы молочной кислоты и

высвобождая дополнительное количество энергии. Каждая из стадий расщепления глюкозы управляется определенным ферментом. По мере накопления молочной кислоты организм чувствует себя все более и более усталым. Когда организм отдыхает после напряженной работы, часть молочной кислоты в результате дыхания окисляется до а высвобождающаяся при этом энергия используется для превращения остальной молочной кислоты обратно в гликоген. В результате организм снова приходит в рабочее состояние.

Роль белков в этом важном процессе не ограничивается ферментативным катализом отдельных его стадий. Дело в том, что энергию, высвобождающуюся при окислительных процессах, организм непосредственно использовать не может. Эта энергия идет на образование химического соединения — аденозинтрифосфдта (АТФ), содержащего остатки гетероциклического основания — аденина (стр. 303), рибозы (стр. 190), а также 3 остатка фосфорйой кислоты.

Отличительной особенностью АТФ является его способность сравнительно легко отщеплять один из остатков фосфорной кислоты и превращаться в аденозиндифосфат (АДФ):

При этом выделяется значительное количество энергии, которое используется организмом. Образование АТФ и его

расщепление могут протекать только в присутствии специфических ферментов.

Было показано, что молекулы мышечного белка актомиозина способны изменять свою длину непосредственно за счет химической энергии, выделяющейся при отщеплейии остатка фосфорной кислоты от молекулы т. е. этот процесс обусловливает сократительную деятельность мышц. Таким образом, система белок играет роль аккумулятора химической энергии в организме. Накопленная химическая энергия по мере надобности превращается при помощи белка актомиозина непосредственно в механическую энергию, без промежуточного перехода в тепловую энергию. Для этого процесса характерен весьма высокий коэффициент полезного действия (приблизительно чем мышца существенно отличается от используемых в современной технике тепловых машин. В тепловых машинах механическая работа совершается за счет химической энергии топлива через стадию перехода в тепло с соответственно более низким коэффициентом полезного действия (

Механо-химический процесс с участием, системы АТФ - белок является, по-видимому, универсальным и происходит не только в мышцах. Он обеспечивает снабжение энергией любых живых клеток и даже таких сравнительно низкоорганизованных живых организмов, как бактерии и вирусы.

Третьей важной функцией белков является их использование в качестве материала для построения важных составных частей организма, обладающих достаточной механической прочностью, начиная с полупроницаемых перегородок внутри клеток и их ядер и кончая тканями мышц и различных органов, кожи, ногтей, волос и т. д.

Белки, являются необходимой составной частью продуктов питания. Отсутствие или недостаточное количество их в пище вызывает серьезные заболевания.

Большинство белков находится в живом организме не в свободном виде, а в виде комплексов с различными мономерными или полимерными органическими соединениями, с ионами металлов. В отличие от свободных белков — протеинов такие комплексы носят название протеидов. Важное значение имеют комплексы белков с нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами, красителями (пигментами), ионами металлов и т. д.

В качестве примера белкового комплекса можно привести гемоглобин, являющийся хромопротеидом — комплексом белка (глобина) с природным красителем (гемом).

Молекулы гема содержат так называемое порфириновое ядро, - состоящее из четырех колец пиррола (стр. 294),

связанных метиновыми мостиками, и включают в свой состав атом двухвалентного железа:

Сочетание специфического белка глобина и- гема обусловливает указанную на стр. 374 уникальную способность гемоглобина переносить кислород от легких к клеткам тканей. Большинство Хромопротеидов аналогично гемоглобину содержит в своем составе ионы металлов (железо или медь).

Другим важным представителем хромопротеидов может служить миоглобин. Этот протеид придает красную окраску мышцам и обеспечивает сохранение запаса кислорода в мышечных клетках путем превращения в устойчивый оксймиоглобин.

Важную роль в жизнедеятельности играют комплексы белков с нуклеиновыми кислотами — нуклеопротеиды. Из нуклеопротеидов состоят, в частности, хромосомы — важнейшие составные части ядра клетки, ответственные за хранение наследственной информации, а также рибосомы — мельчайшие частицы протоплазмы, в которых происходит синтез белковых молекул.